“超重-星艦”第四次綜合飛行測試情況簡析_風聞

來源：中國航天

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）

美國東部時間2024年6月6日上午8:50（北京時間2024年6月6日20:50）SpaceX在德克薩斯州星基地的軌道發射台A利用超重B11和星艦S29原型機進行了超重-星艦的第四次綜合飛行測試（IFT-4）。儘管助推級在上升過程和返回過程中各有1台發動機異常，星艦飛船級防熱瓦仍然有脱落現象，前襟翼在返回過程中部分被燒穿，但成功進行了級間分離、熱分離適配器分離，兩級分別成功返回海上實現受控濺落。同時，飛行過程中持續接收到傳回的數據信號，使SpaceX獲得了大量有用數據，該試驗結果符合SpaceX預期，標誌着超重-星艦的研製實現了又一個新的重要里程碑。

一、計劃及目標完成情況

（一）飛行試驗計劃

IFT-4計劃於6月6日從德克薩斯州的星基地發射，發射窗口於美國東部時間上午8:00開放，時長120分鐘。飛行軌跡設計與IFT-3基本相同。超重助推級將在發射後幾分鐘內返回，並濺落墨西哥灣。星艦飛船級再入大氣，並在點火65分鐘後濺落印度洋。具體飛行時序見表1。

IFT-4的測試重點從超重-星艦的“入軌能力”轉至“返回和重複使用能力”。主要目標包括：超重助推級着陸點火，並瞄準海上“虛擬發射塔”的精準軟着陸；星艦飛船級經受住再入時的“高温狀態”（超過1400℃），並實現受控海上濺落。

為了收集飛船再入過程中的熱防護性能，SpaceX對多種熱防護方案進行測試，並通過傳感器來觀察這些位置的温度變化。包括：在星艦底部附近鋪設了1塊較薄的防熱瓦；完全移除了2塊防熱瓦讓不鏽鋼箭體暴露在環境中；還測試了一些備用的熱保護方案。

表1 超重-星艦第三次試飛

飛行時序及實際飛行情況

尤其值得關注的是，本次發射的推進劑加註過程和飛行時序與以往有所不同。

推進劑加註過程。在IFT-3期間，SpaceX首先在T-53分鐘時開始向星艦加註液氧，然後在2分鐘後向其加註液態甲烷。而IFT-4則相反，在T-49分鐘時首先向星艦加註液態甲烷，2分鐘後採開始加註液氧。同樣的，超重助推級的加註過程亦是如此，IFT-3在T-42分鐘開始向超重助推級加註液氧，1分鐘後加注液態甲烷。而IFT-4則在T-40分鐘開始使用液態甲烷，3分鐘後開始加註液氧。總之，為星艦加註推進劑的用時比上次飛行縮短約4分鐘，僅比獵鷹9火箭加註推進劑所需的時間長約11分鐘。SpaceX沒有説明加註過程發生變化的原因，但已經針對儲罐區的液氧和甲烷儲罐進行了大量改進工作。過去幾個月，作為地面系統工作的一部分，垂直儲罐被替換為水平儲罐。

飛行時序。雖然IFT-4和與IFT-3規劃的任務結束（濺落）時間大致相同（大約1小時5分鐘），但IFT-4通過刪除一些額外IFT-3中飛船在軌進行的飛行目標而發動機重啓等試驗實現了簡化了很多。同時，還添加了三個關鍵事件。

首先是在超重助推級完成返回點火（boostback burn）之後，也就是飛行大約4分鐘之前，SpaceX將拋掉在超重助推級上的熱分離適配器。為的是減少飛行最後階段助推級的質量，據推測該結構連同其所有設備的重量略高於9噸，大約是助推級空載質量的4%。但這是一種非常規程序，僅為此次飛行採取的臨時方法。未來的設計方案（超重-星艦V2）中，熱分離適配器將大幅減重並集成到超重助推級上，將實現全箭的完全可重複使用。

另外兩個事件包括T+01:05:38時的星艦“着陸翻轉”機動，以及5秒後的“着陸點火”。除此之外，本次最大動壓（MaxQ）預計在飛行後1分02秒達到，而IFT-3達到最大動壓的時間是在起飛後52秒，相差10秒。

（二）飛行試驗情況

美國東部時間6月6日上午8:50（北京時間6月6日20:50）超重-星艦點燃一級全部33台發動機從星基地起飛，比計劃起飛時間推遲50分鐘。此外，在起飛4秒後，外圈一台發動機異常關機，但未影響火箭飛行；起飛後約59秒，通過最大動壓（MaxQ）；起飛後約2分53秒，星艦飛船級6台發動機啓動，同時一二級分離。

超重助推級與星艦飛船級分離後，進行姿態翻轉，調整飛行方向。起飛後約2分57秒後，超重助推級重啓中心13台發動機，進入返回點火（boostback back）階段，朝墨西哥灣（發射場方向）飛行。起飛後約3分56秒，超重助推級返回發動機關機，返回點火結束。起飛後約3分48秒，助推級拋掉熱分離適配器，以減輕助推級着陸質量。在助推級下降的最後階段，起飛後約7分09秒，重新啓動中心13台發動機進行着陸點火（landing burn），但僅有12台啓動，中圈1台發動機未能啓動。起飛後約7分15秒，12台發動機反推將助推級速度降低至190千米/小時後，中圈9台發動機關機，僅保留中心3台發動機工作，進一步精確調整助推級速度。直播畫面顯示，在起飛7分27秒，超重助推級最小速度達到9千米/秒後，中心3台發動機分1台和2台先後關閉，助推級垂直濺落海面後傾倒。實現超重助推級着陸是該任務的首要任務。

圖1 超重B11升空時

33台猛禽發動機中有一台未點火

星艦飛船方面，起飛後約8分37秒，星艦發動機關機，速度為26498千米/小時（約21.6馬赫），高度150千米。入軌的軌道參數為遠地點為213千米，近地點為－10千米，傾角26.5度。

起飛後約49分鐘，星艦開始受控再入大氣，遙測數據顯示速度26460千米/小時，高度78千米。起飛後約51分29秒，發射指揮人員呼號表示星艦達到温度峯值，畫面顯示高度68千米，速度25166千米/小時。起飛後約54分39秒，發射指揮人員呼號表示開始冷卻發動機，為着陸點火準備，高度64千米。起飛後約54分54秒，星艦度過了温度峯值區，高度63千米，隨後大氣密度增加，動壓開始大幅提升。起飛後約57分23秒，在高温、動壓的作用下，前襟翼出現明顯熱防護瓦剝離和結構損壞，並導致攝像頭被散落物遮擋。起飛後約61分48秒，星艦經歷最大動壓，高度38千米，速度5644千米/小時。起飛後約65分30秒，星艦在2千米高度，達到約368千米/小時的終端速度（高於預計的200千米/小時），開始進行翻轉機動，並在10秒後着陸點火，從水平姿態調整為垂直姿態，畫面遙測數據顯示最低速度降至2千米/秒，實現軟着陸，濺落海上並傾倒。

圖2 星艦飛行過程中時間-高度曲線(原圖來自：Twitter@MaxFagin)

圖3  星艦飛行過程中時間-加速度曲線(原圖來自：Twitter@MaxFagin)

圖4  星艦飛行過程中時間-速度曲線(原圖來自：Twitter@MaxFagin)

圖5  星艦飛行過程中高度-速度曲線(原圖來自：Twitter@MaxFagin)

根據SpaceX的星鏈衞星在重返大氣層時提供的直播畫面，當其迎風面面對地球大氣層的極端温度時，可以看到飛船周圍出現了色彩繽紛的等離子體。期間，星艦上靠近攝像頭視野的襟翼被燒焦，顆粒物遮擋了部分攝像頭視野，信號也出現多次中斷。直播畫面顯示星艦受到大氣摩擦損壞嚴重，襟翼部分底座熔化，但旋轉底座的鉸鏈位於中間，並未完全受到影響。

 圖6 星艦飛船級前襟翼的背風面（左）和迎風面（右）

圖7 星艦S29右前襟翼底部受損

事後SpaceX表示：“飛船成功實現受控再入，成功通過了高温峯值和最大動壓階段，並展示了在以高超音速下降穿過大氣層時使用襟翼控制飛船的能力。”

二、主要升級改進

2024年3月14日，超重-星艦進行了第三次綜合飛行測試，即IFT-3。與IFT-2一樣，IFT-3也實現了火箭的兩級分離。在IFT-2的基礎上，IFT-3還實現了星艦的全程上升燃燒。同時，這次測試中星艦首次從太空重返大氣層、飛船有效載荷艙門首次在太空中打開和關閉，併成功完成了推進劑轉移演示。這為星艦在軌推進劑轉移提供了寶貴的數據，這將使NASA阿爾忒彌斯計劃下的載人重返月球等任務成為可能。但試驗中仍然暴露了一些關鍵問題。SpaceX針對這些問題對超重-星艦進行了升級改造。

改進1：針對超重助推級着陸點火時發動機提前關機

在IFT-3中，超重助推級在返回過程中進行着陸點火時，本應由13台發動機提供動力，但其中6台發動機已在此前返回點火中故障關機，而在剩餘的7台發動機中，僅有2台確定成功實現了點火。最終，超重助推級在墨西哥灣上空約462米的高度失去聯繫，當時着陸點火推力低於預期，而此時任務執行時間不到7分鐘。

針對上述情況，SpaceX對IFT-4試飛用的超重助推級的氧氣貯箱內將進行了硬件改進，以進一步提高推進劑過濾能力。SpaceX還添加了新的硬件和軟件，以提高猛禽發動機在着陸條件下啓動的可靠性。

改進2：針對星艦飛船級返回期間不受控滾轉

星艦飛船級在IFT-3中的主要問題在於再入返回期間缺乏姿態控制，表現為不受控滾轉，使星艦箭體（包括有熱防護的迎風面和無熱防護的背風面）承受的熱量比預期的要大得多。

SpaceX認為，造成星艦意外滾轉最可能的原因是負責滾動控制的閥門堵塞，最終導致姿態控制部分喪失。為了解決姿態控制問題，已在S29的PEZ分配器艙門下方增加了新的側滾控制推力器。以改善姿態控制冗餘，並升級硬件以提高抗堵塞能力。

改進3：針對星艦飛船級防熱瓦脱落

在IFT-3飛行期間，星艦S28上出現了明顯的防熱瓦脱落現象。為了改善該問題，SpaceX採取了多項措施，包括：①更換了特定區域（如鼻錐頂端、外部縱梁）的防熱瓦粘合劑，將原來使用的含有氮化硼的藍色導熱粘合劑更換為紅色粘合劑，有猜測該材料可能是一種硅膠RTV型材料；②增加防熱瓦的附着力，對部分不鏽鋼表面進行了打磨；③投入大量人力進行檢查，確保星艦S29的瓦片安裝正確，其中重點關注的是襟翼表面；④減少防熱瓦中的水平接縫數量，箭體上較小瓦片的過渡已移至後部現有的截面焊縫，從而消除了中部液氧貯箱上的接縫。

三、未來規劃

（一）近期計劃

馬斯克計劃，如果此次實現了超重助推級在海上的精準軟着陸，那麼將在超重-星艦的第五次綜合飛行試驗（IFT-5）中嘗試讓超重助推級返回並降落在發射塔上。馬斯克樂觀地認為，2024年實現超重助推級返回發射塔的幾率可能是80%到90%，屆時將使用發射塔上一對被稱為“機械哥斯拉”的巨大機械臂來支撐超重助推級。而回收星艦飛船級將需要更長的時間，飛船級將至少連續2次成功受控海上濺落後，才會嘗試在星基地着陸。因此，預計星艦飛船級的回收可能在2025年。SpaceX還計劃在2025年演示船對船的在軌推進劑轉移，對未來的載人月球着陸任務至關重要。

SpaceX正在努力加快超重-星艦的生產節奏，朝着每天生產一艘飛船的長期目標邁進。為滿足高速發展需求，SpaceX加快建設超重-星艦地面設施，在星基地建造第二座星艦發射塔的同時，推進卡納維拉爾角的另一星艦發射台的建設，卡納維拉爾角星艦發射台有望在2025年年中建成。未來，星基地將主要承擔超重-星艦的開發和測試，而大部分的發射將在卡納維拉爾角進行。

（二）遠期規劃

2024年4月，馬斯克公佈了超重-星艦和猛禽發動機的遠期規劃。目前的試驗型為第一代超重-星艦（超重-星艦V1）。第二代超重-星艦（超重-星艦V2）具備完全重複使用能力，箭體長度較V1增加約3米，在重複使用狀態下將能夠攜帶超過100噸的物體進入軌道。通過升級改進後，最終的第三代超重-星艦（超重-星艦V3）在完全重複使用狀態下運載能力可達到200噸，在一次性使用時可達到400噸。箭體長度將增加20～30米，推力增加至10000噸。

圖8 超重-星艦未來規劃性能示意圖

目前使用的猛禽發動機為第二代猛禽（猛禽V2），而SpaceX也將繼續對其進行升級改進，未來的猛禽V3最終將能達到海平面推力280噸，真空推力306噸，同時它還具有更加簡化和緊湊的設計，允許超重助推級省去發動機護罩。

圖9 猛禽發動機未來規劃性能示意圖

四、分析總結

（一）多發動機並聯方案的故障重構能力得到驗證

雖然超重-星艦首飛（IFT-1）任務中，在出現多台發動機故障關機的情況下，仍能繼續飛行，但最終爆炸解體，未能充分驗證其故障重構能力。在本次任務中，兩次出現單台發動機故障關機的情況下，仍達成了飛行任務的主要目標，真正意義上實現故障重構能力的驗證，證明“小推力、多並聯”的路徑具備可行性和魯棒性。首先，在上升階段，超重助推級33台發動機中的1台在起飛後約4秒關機，並未對飛行造成顯著影響。飛行時序中大多數事件出現滯後的情況，可能與發動機關機後的推力損失有關。其次，在助推級着陸點火期間，13台發動機中的1台未能啓動，但也成功實現“軟着陸”，以9千米/小時的低速濺落海上。

（二）重要部位熱防護瓦是後續迭代改進的關鍵點

本次試驗最突出的問題可能在於星艦右前襟翼熱防護瓦受損之後，導致不鏽鋼結構部分損壞，儘管襟翼在最終着陸階段仍能進行機動，但顯然不可能重複使用。星艦飛船從78千米高度再入到海上濺落的過程大約17分鐘，期間最高温度約為1430攝氏度，峯值温度持續約3分半，之後又會經歷高動壓的載荷環境。襟翼與機身鉸鏈連接部分有明顯縫隙，儘管SpaceX已經進行一定程度的“密封”，但顯然還不足承受高温、高壓的工作環境。馬斯克此前已多次強調高可靠的重複使用熱防護是實現超重-星艦完全重複使用的關鍵，本次試驗後也再度表示“完全即刻重複使用軌道熱防護此前還從未實現，是現在最難的問題。在多架（星艦）飛船級上持續迭代不同方案是解決問題的關鍵路徑”，並提出新版星艦的前襟翼會更靠近背風面。此外，馬斯克也強調不鏽鋼結構應對再入高温的突出性能，並將進一步完善SX300合金，使其能夠承受更高的温度。

（三）通過飛行試驗進行迭代優化的速度持續提升

馬斯克曾表示，研發成本中最昂貴的是時間成本，為了壓縮研發週期，SpaceX試圖不斷縮短星艦測試的週轉時間。從IFT-1首飛到IFT-4，時間間隔分別為212天、117天和84天。SpaceX準備好一單次試飛的準備時間僅為一個月，而政府監管下的故障調查成了阻礙其試飛進度的主要因素。但美國聯邦航空管理局（FAA）近期在發放IFT-4飛行許可的同時，允許在某些故障情況下跳過故障調查流程，包括：星艦再入時的熱防護系統故障、星艦襟翼在再入時無法提供足夠的控制，以及猛禽發動機在着陸點火時出現故障。根據本次試驗的情況，很可能不再需要故障調查流程，FAA也未再像IFT-3飛行試驗結束後給出故障的結論。因此，在政策鬆綁的情況下，超重-星艦的試飛頻率可能會進一步提高。