航天科技發表論文評星艦第三次試飛_風聞

2024年3月14日，在SpaceX成立22週年紀念日當天，美國得克薩斯州博卡奇卡星基地迎來了超重-星艦的第三次綜合飛行測試（IFT-3）。此次試飛中超重B10/星艦S28組合體按計劃進行了飛行，雖然未能實現全部試驗目標，但較前兩次試飛有了顯著的進步，首次達到了入軌速度，飛船級在軌進行了有效載荷艙門的開關試驗、推進劑轉移試驗，收穫了重要試驗數據。標誌着SpaceX超重-星艦項目向前邁進了堅實的一步。同時本次試驗對於NASA的阿爾忒彌斯計劃也至關重要。

事後，美國聯邦航空管理局（FAA）發表聲明，按照四級故障標準將此次發射結果定義為“故障”（Mishap，影響僅高於“異常”（Anomaly）），並將監督SpaceX對故障進行調查，以確保該公司遵守FAA批准的事故調查計劃和其他監管要求。

一、試飛及目標完成情況

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（一）試驗目標

此次試飛的飛行路徑設計與前兩次有所不同，前兩次飛行要求星艦飛船級在升空約90分鐘後於夏威夷附近的太平洋濺落。而此次星艦飛船級則將飛行65分鐘後於印度洋濺落，預定飛行時序見表1。並計劃在在軌狀態下，對三種技術進行測試，包括：

▲測試有效載荷艙門的開啓和關閉；

▲驗證頭部貯箱到主貯箱的推進劑轉移；

▲嘗試發動機在軌重啓。

其中在軌推進劑轉移是為了演示SpaceX在“臨界點”技術研發合同下負責研究的低温推進劑傳輸技術，該技術將用於星艦載人月球着陸器。測試中，SpaceX將把推進劑從星艦內的頭部小貯箱轉移到其主貯箱，為未來執行深空任務時將推進劑從加油船轉移到星艦飛船打下基礎。

↑表1  超重-星艦第三次試飛飛行時序及實際飛行情況

（二）試驗情況

2023年11月第二次試飛失敗後，馬斯克曾計劃在2024年1月進行第三次試飛，但由於對第二次試飛調查和重新獲得美國聯邦航空管理局（FAA）飛行許可證的進度問題，最終試飛時間定於3月14日。而FAA的飛行許可證在發射前一天才發佈。

發射當天，由於有船舶進入近海限制水域，導致發射推遲了近一個半小時。SpaceX在倒計時期間沒有報告任何技術問題。最終超重B10/星艦S28組合體於美國東部時間2024年3月14日上午9點25分（北京時間2024年3月14日21點25分）從星基地升空。

上升過程中，B10的33台猛禽發動機正常啓動，起飛後2分49秒，一二級進行了熱分離，此時火箭高度72千米，速度為5662千米/小時。隨後，B10進行了返回點火和着陸點火，試圖在墨西哥灣垂直返回海上濺落，但B10在着陸點火過程中未按計劃時間啓動發動機，SpaceX遙測畫面顯示B10以超過1000千米/小時的速度砸入水中，入水後依然有幾秒鐘收到了箭上回傳畫面。

一二級分離後，星艦S28的6台發動機繼續工作。起飛8分21秒後，S28的3台真空型猛禽發動機關機，8分35秒3台海平面型發動機關機，S28以約7.36千米/秒的速度在150千米高度入軌，有推測其入軌軌道為－50×234千米。之後，S28進入滑行階段，並開展相關試驗。

在S28滑行階段，SpaceX開展了有效載荷艙門開關試驗和在軌推進劑轉移演示驗證，推進劑從飛行器內的頭部小貯箱轉移到主貯箱，但公司總裁肖特韋爾表示，推進劑轉移試驗的結果有待確認。SpaceX原計劃在起飛後約40分鐘對星艦上的單台猛禽發動機進行短暫的重啓，以驗證發動機在軌重啓能力，但由於滑行期間飛行器的滾動速率過高，最終沒有進行該測試。

起飛後約41分40秒，SpaceX表示開始準備再入，S28高度約為145千米。起飛後約44分45秒，S28的襟翼開始擺動，飛行高度約為116千米，同時畫面上明顯伴有掉落物。在此後的再入過程中，S28保持腹部（鋪設有防熱瓦的一面）向下，在約87千米高度達到最大速度，約為7.43千米/秒，遙測畫面中明顯看到防熱瓦因高速飛行與大氣摩擦升温，出現等離子體場，同時也能發現少量幾塊防熱瓦已經脱落的情況。當S28下落到76千米高度（起飛後約48分37秒）時，星鏈傳回的實時畫面中斷，僅有NASA的跟蹤與數據中繼衞星系統（TDRS）傳回的高度、速度等遙測數據。當S28下落到65千米高度（起飛後約49分40秒）時，所有遙測數據中斷。大約15分鐘後，SpaceX宣佈S28已經失聯。推測可能已經解體。

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二、超重B10/星艦S28概況

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本次飛行試驗採用了超重B10和星艦S28，其基本情況見圖1。B10超重型助推級2022年3月投產，在2022年10月開始組裝。S28星艦飛船級於2022年7月投產，2023年3月至4月期間組裝。2024年3月6日，B10/S28組合體完成了射前演練（WDR）。SpaceX在2年時間內完成了整枚試驗箭的製造、裝配和測試，主要試驗項目見表2和表3。期間，在完成超重-星艦前兩次飛行試驗後，SpaceX還針對B10和S28進行了大量改進工作，其研製效率可見一斑。

↑表2  S28地面試驗歷程

↑表3 B10地面試驗歷程

↑圖1  B10/S28概況（圖片來源:推特@BingoBoca）

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三、主要升級改進

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在超重-星艦的第二次軌道試飛（2023年11月18日）中，超重助推級在中央13台發動機進行返回燃燒後，多台發動機異常，引發了助推級的快速計劃外解體（RUD）。最可能的根本原因被確定為向發動機供應液氧的過濾器堵塞，導致發動機氧化劑渦輪泵入口壓力損失，最終導致一台發動機發生故障，並引發了助推級RUD。而星艦飛船級在飛行大約七分鐘後，按計劃排出多餘的液氧推進劑。當液氧排氣口啓動時，星艦後部發生泄漏，導致燃燒事件和隨後的火災，星艦飛行計算機之間的通信中斷。隨後自主飛行安全系統啓動飛行終止系統，導致星艦解體。

針對上述故障，以及從試飛中獲得的數據，SpaceX對超重-星艦進行了大量升級。

（一）第0級

軌道罐區經過重新設計，增加了更多的卧式儲罐，此外還增加了過冷器（Sub chiller），使推進劑加註速度明顯提高。升級後加注提速情況見表4。

↑表4 升級前後推進劑加註時間對比

（二）超重助推級

針對第二次飛行故障，SpaceX對助推級氧化劑貯箱進行硬件改造，以提高推進劑過濾能力，並改進操作以提高可靠性。此外，還有以下兩項顯著的升級。

1、重新設計貯箱共底

B10採用了新的貯箱共底設計，頂部更加平滑。

2、採用發動機艙分隔板

SpaceX設計製造了最新的發動機艙分隔板，用於外圈發動機防止相鄰發動機爆炸對其造成影響，由不鏽鋼製造而成，內部有波浪隔板。

（三）星艦飛船級

與S25相比，S28有相當重大的升級，SpaceX對S28進行了硬件改造，以減少泄漏、提高防火性能，並改進與推進劑排氣口相關的操作，以提高可靠性。同時，也將星艦飛船級將猛禽發動機的液壓轉向系統改為全電動系統，這也消除了潛在的易燃源。此外還有一些改進體現了此次飛行與以往的主要變化。

1、有效載荷艙門

S28的內部結構發生了相當大的變化，其中主要變化之一與有效載荷艙門有關。現在，艙門的開口周圍有非常大的雙層板，而S25的艙門周圍只有少量的縱梁，而且一旦密封起來，最終就沒有任何加固了。該設計首次出現在S27上，並通過S24.2樣機進行了驗證。

艙門的周邊還添加了9塊飛行前可拆卸的鎖定板，防止艙門在鎖定板就位時打開。此外，S28的有效載荷門的密封裝置不同於以往。飛船船側增設密封件，更新後的門上的軟木材料已被不鏽鋼取代。

2、更大的PEZ分配器支架

S28內安裝的PEZ分配器支架作為星鏈衞星的容納和部署機構，其高度比此前版本的有大幅增加。

3、增加星鏈終端

在星艦頭錐的背風側安裝了4個星鏈終端，取代了過去與有效載荷艙艙口集成的單個終端。這可能會讓星艦在飛行過程中與現有的無線電天線一起擁有更穩定的連接。在SpaceX向聯邦通信委員會（FCC）的第三次飛行的文件列出了增加的星鏈終端數量，特別指出全箭共有8個星鏈終端。以此推斷，其餘4個星鏈終端安裝在超重助推級上。

4、電動推力矢量控制

S28是第一艘配備電動推力矢量控制（TVC）系統進行測試的星艦飛船級。這項改進讓發動機上的液壓執行機構替換為了電動執行機構，並剔除了箭體兩側的液壓系統，降低重量和複雜度，並增加了冗餘。此前，B9超重助推級已經改用電動執行機構，B10同樣採用。

5、排氣口和分流器

在鼻錐上方，為頭部小貯箱的2個排氣口安裝了分流器，可將排放氣體向下分流，可能用作姿態控制推進器或推進劑沉底推力器。而液氧貯箱原來配有分流器的2個排氣口已被完全刪除，這可能也是鼻錐處的頭部小貯箱排氣口增設新分流器的原因。

6、頭部氧箱輸送管重新設計

在頭部氧箱輸送管的底部，擴展部分經過了重新設計，現在更長並且具有圓形邊緣。

7、發動機艙內的液氧排氣口

在裙邊的下側，添加了3個可插入液氧貯箱的新排氣口。它們的傾斜位置可能表明它們可以充當某種姿態控制推進器。

8、熱保護系統

S28的防熱瓦有明顯變化，第一個變化就在鼻錐上。邊緣的防熱瓦拼接形狀進行了調整，邊緣線條更加平坦。

SpaceX對襟翼防熱瓦進行了更改，減少了微小不規則瓦片的數量，開放間隙的總體數量也有所減少。

9、增加液氧貯箱內部縱梁

在液氧貯箱下部，添加了24根內部縱梁柱，以提升箭體的結構強度。

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四、總結分析

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（一）持續快速迭代，新技術驗證和應用成效顯著

2023年4月至今，SpaceX利用不到一年的時間，完成3枚超重-星艦的發射，並在本次試驗中成功入軌，達到了遞歸改進、快速迭代的目標。SpaceX再次展示了在“失敗”中學習和進步的能力，並且不會以同樣的方式失敗兩次。此次飛行試驗不僅再次對第0級、多發動機並聯、級間熱分離等關鍵技術進行了驗證，更穩定的飛行過程也證明了改進措施的有效性。同時，本次還對新技術進行測試，尤其是頭部貯箱到主貯箱的推進劑轉移，初步驗證了在軌加註技術，對未來重複使用運載火箭的能力拓展具有重要意義，對於大規模、常態化的空間探索活動具有深遠影響。最後，本次發射過程中，SpaceX充分利用星鏈的通信能力傳回了清晰的箭上實時畫面，獲取了更多數據，為超重-星艦快速迭代提供了重要基礎。

（二）飛行試驗充分暴露問題，熱防護方案仍待進一步優化

超重-星艦作為一個複雜的系統，通過本次試驗暴露出了諸多問題。這也是SpaceX快速迭代理唸的基礎邏輯之一，通過實際飛行發現問題、檢驗方案可行性。一方面，超重助推級在返回過程中，姿態穩定性較差，柵格舵有明顯的大範圍調整動作，而且反推發動機未按預定時間點火啓動，未能充分減速，導致超重助推級以過大速度撞落水面。另一方面，直播畫面顯示S28防熱瓦在上升過程中出現脱落現象，再入畫面也能明顯發現脱落的部位。儘管不鏽鋼材料相比鋁合金材料能夠承受更高的極限温度（超過800℃），但星艦再入極限温度可以達到1350℃。在防熱瓦脱落的情況下，星艦可能出現類似哥倫比亞號航天飛機返回時因熱流穿透熱防護系統導致結構失效的情況。在星艦的迎風面有18000多枚類似的防熱瓦，如何確保如此龐大數量的瓦片的可靠性和工藝一致性是未來SpaceX需要攻克的難題之一。

（三）後續工作以快速實現可重複使用為重點

本次試飛為超重-星艦在今年的試驗開啓了一個良好的開端，SpaceX計劃今年完成9次超重-星艦發射，但仍需要獲得FAA的批准，而FAA也明確將本次飛行試驗定義為“故障”（Mishap），需要開展調查和改進。超重-星艦後續研製工作的重點是以快速的節奏實現完全的、快速的可重複使用。重型火箭的可重複使用對進出空間具有重要的意義。為了達到這個目標，要加快生產和測試的速度。馬斯克認為，任何特定的技術開發，都可以用迭代的次數，和每次迭代之間的間隔時間來衡量。每次發射或測試，都能獲得經驗。因此，要增加發射和測試的頻率。而且，犧牲硬件總比犧牲時間要好。時間才是真正的貨幣。這正是通往火箭快速複用的最快途徑。

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文章作者：

龍雪丹[1]  楊開[1]  王林[1]  褚洪傑[2]

（1.北京航天長征科技信息研究所；2.中國航天科技集團有限公司）

翻頁可看SpaceX官方任務總結

附：SpaceX官方任務總結

@航天愛好者網

【SpaceX官方總結昨日星艦發射成果】整體流程成功，但是一級回收最終着陸點火失敗，二級滑行段姿態不穩，導致離軌點火未能執行，再入階段翻滾解體：

1.超重型助推器B10上的所有33台猛禽發動機第二次全部成功啓動，並在上升全過程中全部正常工作。

2.星艦第二次成功執行熱分離，關閉了除3台中央發動機外的30台發動機，並在分離之前成功點燃了6台火箭二級的猛禽發動機。

3.分離後，超重型助推器成功完成了翻轉機動，並完成了整個返場推進過程，將其送往墨西哥灣的濺落點。

4.超重型助推器成功地點燃了幾台發動機（沒有全部點燃），在飛行器解體（RUD）之前，它首次進行着陸反推。超重型助推器的遙測信號在距離海面462米的高度結束，起飛開始不到7分鐘。

5.星艦的6個第二級猛禽發動機都成功啓動，並將其送入預定軌道，成為第一艘完成全持續爬升的星艦二級。

6.在滑行段中，星艦二級完成了飛行測試的幾個額外目標，包括打開和關閉其有效載荷艙門（又名pez分配器）以及推進劑轉移演示。星艦沒有嘗試其計劃的單個猛禽發動機的在軌重新點燃，因為星艦在滑行期間的側傾率（滾轉）。這些演示的結果將在飛行後數據審查完成後公佈。

7.星艦二級實施首次再入大氣層，在高超音速再入期間提供了有關防熱和飛行器控制的寶貴數據。在星艦上運行的星鏈終端使再入的實時視頻直播成為可能。

8.飛行測試的結論是在再入時得出的，在任務開始約49分鐘時，通過星鏈接收到的最後一個遙測信號。