“超重-星艦”成功執行第五次綜合飛行試驗，首次實現一級回收_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）

2024年10月13日，SpaceX成功執行了超重-星艦第五次綜合飛行試驗（IFT-5），首次嘗試超重助推級“筷子”捕獲回收取得成功，星艦飛船級海上濺落達到預期的十米級精度，試驗目標均已達成，此次任務標誌着超重-星艦向完全、快速可重複使用邁出堅實的一步。本文將對任務執行情況，及試飛箭的改進情況進行總結分析。

圖1 IFT-5任務中一級成功回收

一、計劃及目標完成情況

（一）飛行試驗計劃

SpaceX在2024年8月初就表示，星艦已做好IFT-5的技術準備。然而，發射需要獲得美國聯邦航空管理局（FAA）的批准。而FAA在9月表示，預計11月底才能夠批准IFT-5任務。但SpaceX通過向國會申訴，並持續推進IFT-5射前準備工作，給FAA施加壓力，最終FAA在10月12日授予飛行許可。

IFT-5於10月13日從德克薩斯州的星基地發射。飛行軌跡設計與第四次綜合飛行試驗（IFT-4）基本相同。超重助推級將在發射後幾分鐘返回發射場，並由發射塔架上的“筷子”捕獲。星艦飛船級再入大氣，並濺落印度洋。具體飛行時序見表1。

此次試驗的主要目標包括兩個方面：一是首次嘗試超重助推級原位返回發射場，利用發射塔架上的“筷子”機械臂對其進行捕捉回收；二是再次實現星艦飛船級的再入，完成着陸點火和翻轉機動，在印度洋目標海域挑戰10米級精準軟着陸。

表1  超重-星艦第5次試飛飛行時序

圖2 超重-星艦IFT-5飛行剖面圖

（二）飛行試驗情況

美國中部時間2024年10月13日7:25（北京時間2024年6月13日20:25），第五枚超重-星艦試飛箭從博卡奇卡星基地1號軌道發射/集成塔（OLIT-1）起飛。本次試飛箭由超重B12（一級）和星艦S30（二級）組成。

1、上升段

起飛後，一級33台發動機全程正常工作；

起飛後約59秒，箭體通過最大動壓（Max-Q）；

起飛後2分36秒，一級按預定程序關閉30台猛禽發動機，只保留3台中心發動機繼續工作；

 

圖3  一級發動機佈局

起飛後約2分41秒，二級6台發動機啓動，一、二級熱分離，此時高度約為70千米，速度為5235千米/小時。

2、一級返回

起飛後約2分45秒，一級與二級分離後，進行姿態翻轉調整飛行方向，同時重啓中圈10台猛禽發動機，進行返回點火（Boostback Burn），朝向博卡奇卡的發射場方向飛行。此時高度為72千米，速度為5170千米/小時；

起飛後約3分31秒，一級中圈10台猛禽發動機關機，10台中圈發動機工作時長約46秒。此時高度為93千米，速度為1742千米/小時；

起飛後約3分41秒，一級中心3台猛禽發動機關機，3台中心發動機在分離後工作時長約60秒。此時高度為95千米，速度為1900千米/小時；

起飛後約3分49秒，發射指揮人員呼號表示發射塔的狀態允許一級返回進行回收。此次在飛行的前3分鐘，SpaceX對一級和發射塔架進行數千項檢查，以確認滿足數以千計的安全標準，此後一級才能被確認可進行回收試驗，並由發射指揮人員手動發出操作指令，否則就將默認進入着陸點火併在墨西哥海灣進行海上濺落；

起飛後約5分10秒，直播人員表示確認發送了一級返回發射塔架回收的指令；

起飛後約6分29秒，一級相繼啓動中心3台和中圈10台猛禽發動機，進行着陸點火（Landing Burn），高度約1～2千米，速度為1261千米/小時，略高於聲速；

起飛後約6分37秒，一級中圈10台猛禽發動機關機，僅保留中心3台發動機工作，中圈10台工作時長約7秒。此時高度小於1千米，速度為247千米/小時；

起飛後6分48秒，在3台中心發動機反推控制下，一級以約60千米/小時的速度進入發射塔架的“筷子”之間，高度約200米；

起飛後6分55秒，一級懸停於“筷子”機械臂之間，機械臂通過兩側着陸導軌上的插槽與一級柵格舵下方兩個承載點對齊，並將其接住，見圖4。

圖4  一級柵格舵下方的承載點（左）被“筷子”接住（右）

返回後的一級的長排罩處有結構破損，可能是由於發動機產生熱羽流衝擊或氣動力造成的。另外，在一級底部的臍帶接口處有比較明顯的起火故障。

圖5  一級長排罩處出現結構破損，臍帶接口處有起火

3、二級飛行和再入返回

二級點火啓動後與一級分離，6台發動機開始長時間工作。

起飛後約7分59秒，二級3台真空型猛禽發動機關機；

起飛後約8分27秒，3台海平面型發動機關機，二級開始滑行，高度最高達到212千米，繞行地球近半圈；

起飛後約47分44秒，發射指揮人員呼號表示進入85千米高度，二級襟翼開始進行氣動控制，速度為26732千米/小時（馬赫數約為21.8）；

起飛後約48分58秒，發射指揮人員呼號表示二級開始進入強加熱階段，高度75千米，速度26432千米/小時（馬赫數約為21.6）；

起飛後約52分53秒，發射指揮人員呼號表示二級經歷的強加熱階段已經過半，高度69千米，速度22991千米/小時（馬赫數約為18.8）；

起飛後約54分3秒，發射指揮人員呼號表示，進行發動機預冷；

起飛後約56分52秒，發射指揮人員呼號表示，強加熱階段即將結束，並進入高動壓階段，高度58千米，速度17692千米/小時（馬赫數約為14.5）；

起飛後約58分42秒，直播人員表示，星艦S30上佈置了新的銀色防熱瓦，是在標準防熱瓦外表包裹了鋁材料，因為鋁融化的温度是不鏽鋼開始失效的温度，以此來指示結構的受熱問題；

 

圖6  佈置在載荷艙門附近的新型防熱瓦（外表採用鋁包裹）

起飛後約1小時40秒，發射指揮人員呼號表示二級正在經歷最大動壓，高度42千米，速度7918千米/小時（馬赫數約為6.5）；此時，星艦S30表面出現比較嚴重的熱燒蝕，直播畫面左上角襟翼的鉸鏈連接部位受熱非常嚴重，但並未完全失效，結構仍保持完整；

圖7  經歷最大動壓前後的星艦S30表面和4個襟翼的受熱情況

起飛後約1小時2分37秒，二級速度快速下降，馬赫數為2，高度為26千米；

起飛後約1小時3分，二級速度降至聲速，高度21千米；

起飛後約1小時3分27秒，發射指揮人員呼號，二級在亞聲速下以腹部向下姿態下落，高度16千米，速度748千米/小時；

起飛後約1小時5分20秒，二級3台中心發動機進行着陸點火（Landing Burn），並進行翻轉機動，在起飛後約1小時5分40秒以垂直姿態在海上濺落，速度降至7千米/小時。

二級準確濺落在南印度洋目標海域後，提前設置在海面上的攝像機記錄了着陸過程，表明達到了SpaceX預先設定的10米級精度範圍。接觸海面後隨即爆炸。

4、相比第四次飛行的提升

首先，一子級33台發動機全程正常工作，10台中圈發動機2次重啓、3台中心發動機1次重啓全部正常，相比第四次飛行出現的發動機關機和重啓故障情況，推進系統的穩定性再度提升；最大的提升是，在第四次飛行驗證了釐米級着陸精度的基礎上，利用發射塔架上的“筷子”成功將超重B12一級捕獲回收。

其次，二子級再入返回過程中，經受高温和氣動載荷環境，保持了結構完整性，未出現明顯的結構損壞；同時，二子級以10米級的精度在海上濺落，相比第四次飛行6千米的落點誤差，大幅提升。

再次，星鏈通信的穩定性大幅提升，全程未出現直播畫面中斷的情況，SpaceX將星鏈稱為星艦項目的“幕後MVP”。

事後，FAA表示“經評估，IFT-5飛行中的超重助推級和星艦飛船級的所有飛行事件均在計劃和授權活動範圍內”，因此不會像以往一樣開展任何調查。

二、超重B12/星艦S30概況

本次飛行試驗採用了超重B12和星艦S30。B12超重型助推級第一批部件於2022年9月出現在星基地，在2023年8月完成組裝。S30星艦飛船級於2022年9月首次出現在星基地，2023年7～8月期間進行組裝。2024年9月21日，B12/S30首次進行總裝，分別在9月23日和10月7日完成了一次部分推進劑加註試驗。而與以往不同，此次試驗箭未進行整箭推進劑滿載的射前演練（WDR）。兩級其他主要試驗項目見表2和表3。

表2  星艦S30地面試驗歷程

表3  超重B12地面試驗歷程

 

圖8 B12/S30總體結構/參數（來源：X@BingoBoca）

B12/S30組合體全長121米，超重B12高71米，星艦S30高50米，推進劑質量4600噸，B12乾重275噸，S30乾重120噸。採用二代猛禽發動機（猛禽V2）。

基於此前飛行試驗的數據，SpaceX對星艦S30和超重B12以及後續的超重-超重進行了多項改進。具體如下：

（一）星艦S30的改進

升級防熱瓦：由於S29的防熱瓦在IFT-4飛行中出現問題，SpaceX將S30上的幾乎所有瓦片都換成了新型防熱瓦。防熱瓦的材料組成發生了變化，表面黑色層、構造方式以及內部結構均發生了改變。馬斯克稱SpaceX技術人員花費了12000多個小時完成這項工作，該防熱瓦的強度將增加一倍。全箭18000片防熱瓦，總重約10.5噸。在此基礎上還增加了新的燒蝕材料，應用於受熱影響最嚴重的區域，固定在防熱瓦下方。此前的設置從下到上依次是毛氈、網格和防熱瓦。而新設計順序是毛氈、網格、燒蝕材料和防熱瓦。

天線：原鼻錐上的小六角形天線被取消，改為有效載荷門下方的一個大六角形天線。

 

圖9  星艦上的天線（左圖為星艦S28、右圖為星艦S30）

（來源https://ringwatchers.com/article/s30-updates：）

攝像機：移除右襟翼攝像機，取而代之的是在每個襟翼旁邊添加4個攝像機盒。

排氣口：兩個新通風口，一個供氧，一個供甲烷。

（二）超重B12的改進

B12與B11幾乎相同，只是進行了小幅升級和修改。

星鏈終端：覆蓋壓力容器的長排整流罩上的星鏈終端經過重新設計，採用方形天線，而不是舊的圓形天線；

發動機防熱層：包裹在發動機防護罩底部的黑色材料已被移除，取而代之的是防護罩上閃亮的鋼邊；

發射中止系統（FTS）：在靠近液態甲烷傳輸管的側向支撐附近增加了FTS，可能是為了加強系統性能，以便在回收試驗出現意外的情況下保證地面的安全；

推進劑貯箱：可能會有額外的推進劑燃料箱，為着陸增加額外的氧氣。總共9個，分3組。這項措施首先在B15上發現，B12可能也採用了該設計；

穩定點縱梁：兩個穩定點均添加了6個新縱梁，兩側各有3個，並被塗上了黑漆，有猜測，這種設計是為了在首次回收測試中檢驗一級與機械臂或塔架的碰撞情況。

 

圖10  穩定點均添加6個新縱梁（黑色）

三、地面發射和回收系統

超重-星艦的地面發射和回收系統，即SpaceX稱之為“第0級”的系統，主要由“軌道發射/集成塔”（OLIT，簡稱發射塔架）和“軌道發射台”（OLM）組成，詳見圖11。發射塔架的高度為146米，由9個鋼材料的桁架結構部段組成，每段的截斷為正方形，邊長約為12米。桁架結構的4根主立柱採用大尺寸的方形鋼材（截面邊長1.6米），內部利用較細的鋼材連接，提升整體強度。主體結構提供了發射總裝和返回捕獲的基礎支撐，用於安裝“筷子”機械臂、快速斷開臂（QD，即臍帶臂）、吊裝設備等。

 

圖11  軌道發射/集成塔示意圖（來源：X@LunarCaveman）

“筷子”機械臂如圖12所示，為雙叉臂結構，可以沿發射塔架上下移動，也可以沿中間縱軸轉動，可以對超重助推級和星艦飛船進行升降、總裝等操作。在超重助推級返回時，充當捕獲裝置，將其捕獲，確保安全可控着陸，並實現快速週轉發射。“筷子”包括擺臂（下圖左側）和托架（下圖右側）：擺臂用於在總裝或返回過程中，為超重/星艦提供支撐；托架用於將“筷子”固定在發射塔架上，並能夠使“筷子”沿着塔架上下滑動。

 

圖12  “筷子”結構的俯視示意圖

星基地1號發射塔架的“筷子”機械臂自2022年起投入使用，此前僅用於總裝集成，在IFT-5中首次實現超重B12的捕獲回收。為準備回收任務，SpaceX對“筷子”進行了升級，包括：

對筷子上的桁架結構進行了加固焊接，以在捕獲着陸助推器的同時，承受巨大的負載；

在“筷子”上安裝了承載超重“承載點”的着陸導軌，導軌下方設有縱向液壓緩衝裝置，導軌內側填充緩衝材料；

對臍帶臂進行防護，防止超重返回時的發動機尾焰對其造成衝擊和燒蝕；

增加10台起重機、升降機在1號塔附件提供支撐。

此外，SpaceX還對筷子進行了多次全速擺動測試，並對筷子上的着陸導軌進行了壓縮測試。

四、其他主要進展

（一）啓動第二代星艦製造裝配

2024年6月，首枚第二代星艦（星艦V2）S33出現在星基地，未來計劃與超重B14用於第七次綜合飛行試驗。

 

圖13  二代星艦S33的前襟翼向背風面移動

二代星艦的改進包括：1）鼻錐上前襟翼變小，並向背風面移動，使前襟翼在再入過程中的受熱情況得到緩解；2）有效載荷艙變短，由原來的5個環形筒段縮減為3個，有更多空間加註推進劑，提高推進劑加註量；3）每台猛禽真空發動機配備獨立降液管。

SpaceX規劃中的第二代超重-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。

（二）啓動第三代猛禽發動機試車

8月，SpaceX公佈第三代猛禽發動機（猛禽V3）在德克薩斯州麥格雷戈首次試車的照片，試車點火持續了30秒。第三代猛禽將用於第二代和第三代超重-星艦，設計海平面推力280噸，真空比衝為350秒，質量為1525千克。SpaceX稱，第三代猛禽本身設計有複雜的集成冷卻迴路，火箭將不再需要為發動機安裝額外的熱防護。

 

圖14  猛禽V3首次試車

（三）持續提升製造和發射能力

首先，星基地內佔地9.3萬平方米的星工廠正在投入使用，生產團隊已經進駐，能夠將大部分製造過程集中到同一個空間內，儘可能將系統集成工作能夠在製造前期開展，SpaceX稱其目標是每年生產數百艘星艦。例如，團隊可以在星工廠完成星艦整個鼻錐結構製造裝配，並在同一地點處理其內部系統。因此，工程人員對任何過程有疑問，都不必離開星工廠去找答案，也不必浪費時間發送電子郵件並等待回覆，可以直接面對面交流。

其次，SpaceX已經完成了星基地第二個發射塔架的建設，但尚未完成筷子、臍帶臂和相關設施的安裝，預計在2025年投入使用，能夠提高飛行節奏，更快地進行測試。此外，SpaceX還正在對東海岸肯尼迪航天中心LC-39A發射台及其附近的發射、着陸和其他相關基礎設施進行升級，包括新建一個發射塔架，未來在東海岸用於超重-星艦的發射和回收。

最後，為提升星基地的能力，SpaceX投入了大量經費和資源。自2014年以來，直接在星基地投入30億美元，星基地全職僱員的人數超過2100人。在最近應對環境保護組織的訴訟中，SpaceX稱如果法院暫停星基地的發射活動，每天的損失將高達400萬美元。

圖15  星基地和發射場的俯瞰圖

五、小結

（一）超重-星艦工程應用進程得到極大推動

此次試驗任務取得了全面的成功，驗證了超重助推級筷子回收的可行性，以及星艦飛船級精準軟着陸能力。超重-星艦向完全、快速可重複使用推進，同時為其工程化應用奠定了基礎。此次試飛後，預計第六次綜合飛行試驗（IFT-6）最早將於2024年12月進行，第七次綜合飛行試驗（IFT-7）很可能會在2025年進行。如果一切順利，預計2025年SpaceX將進行在軌船對船的推進劑轉移演示，以驗證星艦的在軌推進劑加註能力。星艦將按照計劃率先應用於SpaceX的二代星鏈衞星星座的部署任務中，並應用於其他商業衞星的發射。在此基礎上，作為NASA阿爾忒彌斯計劃的一部分，有望在2026年將宇航員送上月球。隨着超重-星艦可重複使用技術的成熟，在“火箭貨運”項目下，或將為軍方提供全球點對點運輸投送能力。

（二）“筷子”方案取得成功再次證明快速迭代思路的可行性

筷子回收無疑又是一次大膽的創新，其成功在很大程度上基於SpaceX的快速迭代研發思路，以及因此積累的大量關於火箭設計、製造、發射和回收等各個環節的寶貴經驗。在其發展歷程中，SpaceX始終注重開展飛行條件下的試驗，其獲得經驗的過程和手段短、平、快。正如馬斯克多次強調的，時間是最重要的成本。“讓飛行件飛起來”，進而通過積累的經驗“簡化流程、理解流程、不斷改進、不斷迭代”。雖然在此過程中經歷了多次重大失利，但所獲得的數據和經驗更加寶貴。