一代超重-星艦綜合飛行試驗情況總結分析_風聞

來源：微信公眾號“中國航天”

一代超重-星艦綜合飛行試驗情況總結分析

——第6次飛行試驗結束

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11月20日，SpaceX成功執行了超重-星艦第六次綜合飛行試驗（IFT-6），雖然最終因軌道發射/集成塔上關鍵硬件的自動運行狀態監測觸發問題，中止一級捕獲嘗試，但仍然實現了大部分既定目標，驗證了猛禽發動機的在軌重啓和新的熱防護方案。此次試飛距離超重-星艦頗具歷史意義的第五次試飛僅37天。任務中消耗了最後一枚第一代星艦飛船級（星艦V1），標誌着超重-星艦項目的軌道級試飛過渡至第二階段。

圖1 超重-星艦第6次綜合飛行試驗

一代星艦的試飛在推動項目發展進程中起到了關鍵作用。本文對星艦第六次綜合飛行試驗情況、星艦本階段試飛情況進行總結分析，並對未來任務規劃進行介紹。

一、第六次綜合飛行（IFT-6）試驗情況

（一）試驗目標

IFT-6發射窗口從美國中部時間11月19日下午4：00開啓，持續時長為30分鐘。10月13日執行的超重-星艦綜合飛行測試（IFT-5）是超重-星艦向完全快速可重複使用發射系統邁進的重要一步，超重助推級成功返回發射場，並被筷子機械臂空中捕獲，星艦飛船級展示了多項改進，並最終在印度洋目標區域實現了受控再入和高精度濺落。星艦IFT-6飛行路徑與IFT-5基本相同，需要完成超重助推級的“筷子回收”，以及星艦飛船級再入返回，在這一基礎上對本階段的升級進行驗證，旨在擴大飛船和助推級能力的範圍，並更接近實現整個系統的再利用，重點關注以下幾個方面：

一是驗證超重助推級系統升級的有效性。在上一次的測試中，由於閥值設置問題，險些造成誤判，放棄對健康火箭的捕獲和回收。因此，在後續的改進中，SpaceX工程師們對系統進行了升級，包括提高了助推級動力系統的安全性，修改了軟件設置和判斷準則等。

二是驗證飛船熱防護層的性能。本次飛行測試將包含多項熱防護實驗和操作調整，旨在挑戰星艦的極限能力，並收集飛行數據，為星際飛船的捕獲回收與重複使用提供數據。在下降的最後階段，飛船將故意以大迎角飛行，以測試襟翼控制的極限，並收集未來着陸特性的相關數據。

三是驗證猛禽發動機在軌二次點火重啓能力。星艦飛船在軌運行期間對單台猛禽發動機進行重啓測試，以進一步演示驗證飛船離軌所需的點火機動能力。

此外，發射時間安排在下午，是為了能白天在印度洋上空再入大氣層，從而改善監控視頻的效果。

表1 超重-星艦IFT-6飛行時序

圖2 超重-星艦IFT-5飛行剖面圖

（二）試飛箭及改進

本次飛行試驗採用了超重B13和星艦S31。B13超重型助推級第一批部件於2022年12月出現在星基地，2023年9月開始組裝，在2024年2月完成組裝。S31星艦飛船級於2022年8月首次出現在星基地，2023年8月開始組裝，兩個月後完成組裝。兩級其他主要試驗項目見表2和表3。

表2 星艦S31地面試驗歷程

表3 超重B13地面試驗歷程

超重B13助推級與上一次測試用的超重B12大致相同。主要變化在於軟件。在收集了第一次成功捕獲的大量數據後，SpaceX團隊更新了軟件控制以及返回協議。而硬件方面的變化包括：①增加關鍵區域的結構強度和支撐，如長排罩增加鉚釘固定；②兩個飛行中止系統（FTS）安裝盒位置都有輕微調整，頂部FTS安裝盒採用了與底部FTS安裝盒同樣的設計，與左前側線槽的連接更為簡化；③左前側線槽經過重新設計，並稍微延伸至助推級頂部。④助推級側面的“牛鈴”（Cowbell）通風口採用了全新、更小的設計。

圖3 長排罩加固（左）及新通風口設計（右）

圖4 超重B13頂部與底部FTS

星艦S31飛船級的變化主要在於熱防護系統。飛船採用了新型熱防護材料。SpaceX團隊還移除了位於飛船兩側的大量隔熱瓦（大約7～8排），上述被移除隔熱瓦的位置本身受熱條件並不十分嚴苛，計劃未來用於安裝捕獲輔助硬件。通過移除隔熱瓦，使得結構整體減重400～500千克，同時能夠在飛行任務中測試該區域的耐熱性能。

圖5 星艦S31兩側隔熱瓦鋪設情況（左側為拆除前、右側為拆除後）

圖6 星艦兩側拆除隔熱瓦的位置

（三）試飛情況

美國中部時間2024年11月19日16:00（北京時間2024年11月20日6:00），第6枚超重-星艦試飛箭從博卡奇卡星基地1號軌道發射/集成塔起飛。本次試飛箭由超重B13（一級）和星艦S31（二級）組成。此次飛行試驗的升空推力約為7500噸，質量約為5000噸。本次試驗持續時長1小時5分40秒。

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30秒，直播的技術人員表示，已經聽到了信息，表示發射塔的狀態允許一級返回進行回收；

起飛後2分35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；

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63千米，速度為5295千米/小時。

2、一級返回

起飛後約2分46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71千米，速度為5192千米/小時；

起飛後約3分28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42秒。此時高度為92千米，速度為1450千米/小時；

起飛後約3分36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55秒。此時高度為94千米，速度為1425千米/小時；

起飛後約3分58秒，發射指揮人員呼號“助推級離岸濺落”；

起飛後約6分34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1275千米/小時；

起飛後約6分41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169千米/小時；

起飛後6分52秒，一級與水面接觸，此時速度約28千米/小時；隨後發生爆炸。一級濺落時姿態良好。

圖7 一級海上濺落

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55秒，二級3台真空型猛禽發動機關機；

起飛後約8分30秒，3台海平面型發動機關機，二級開始滑行，高度最高達到190千米，繞行地球近半圈；

起飛後約37分45秒，在微重力環境下重啓二級中心一台猛禽發動機，此時高度為137千米，速度為26564千米/小時，運行5秒後發動機關機，此時高度為136千米，速度為26639千米/小時；

起飛後約46分41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26767千米/小時；

起飛後約48分08秒，發射指揮人員呼號表示二級開始進入強加熱階段，高度78千米，速度26518千米/小時；

起飛後約52分47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67千米，速度22933千米/小時；

起飛後約58分11秒，發射指揮人員呼號表示，強加熱階段即將結束，星艦狀態良好，此時高度53千米，速度14126千米/小時；

起飛後約1小時40秒，發射指揮人員呼號表示二級已通過最大動壓，高度41千米，速度7173千米/小時；可以看到襟翼未受到明顯損壞，但仍有等離子體通過後襟翼的鉸鏈。

起飛後約1小時3分04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782千米/小時；

起飛後約1小時5分10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；

起飛後約1小時5分21秒以垂直姿態在海上濺落。

圖8 星艦飛船級海上濺落

二、一代超重 - 星艦的歷次綜合飛行試驗

（一）飛行試驗歷程

SpaceX公司於2011年正式啓動猛禽液氧甲烷發動機的研發，2016年正式公佈星際運輸系統ITS，於2019年下半年進入飛行測試階段，首先利用星跳號進行了150米級的低空飛行試驗，利用全尺寸原型樣機MK系列完成了總裝、貯箱加壓試驗，利用SN系列原型機完成了靜點火試車和10千米級的高空飛行試驗。隨後於2023年4月轉入整箭的軌道級綜合飛行試驗。

在不到兩年的時間裏，SpaceX利用第一代超重-星艦（超重-星艦V1）完成了6次綜合飛行試驗，見下表。

表4  一代超重-星艦（超重-星艦V1）綜合飛行試驗（IFT）情況統計 

（二）迭代過程中的主要改進

通過上述綜合飛行試驗，使SpaceX獲得了關於全系統性能的寶貴數據，以此為依據，SpaceX對超重-星艦系統及配套設施進行了多項改進。重點如下：

1、動力系統

在第一階段的前四次試飛中或多或少都暴露出動力系統存在的問題。為此，SpaceX多次對動力系統進行了改進。短期的改進重點在發動機熱防護、防火功能和發動機關機邏輯等方面。由於更多的熱防護，增加了系統的結構質量，這也可能是SpaceX最終決定採用熱分離的原因之一。而長期的改進重點在液氧閥門設計、閥門密封結構，以及歧管設計等。

此外，SpaceX還持續推進猛禽發動機的升級，已經迭代到第三代猛禽，實現了設計方案的極簡化。第三代猛禽發動機（猛禽V3）設計海平面推力280噸，真空比衝為350秒，結構質量僅為1525千克，並在今年8月啓動了首次試車。不過，目前超重-星艦主要採用第二代猛禽（猛禽V2）作為主動力，該發動機海平面推力約為230噸，但曾於2024年5月份在35兆帕的極限工況下持續穩定工作45秒，推力達到269噸。另外，SpaceX還針對猛禽V2開展了極限快速啓停試車驗證，在10分鐘時間內完成了34次啓動和關機，每次點火持續8秒、關機8秒後再啓動。隨着猛禽發動機的升級，超重-星艦性能也將進一步提升，未來配備猛禽V3的第三代超重-星艦在一次性使用狀態下運載能力可達400噸，重複使用狀態下為200噸。

2、分離系統

在第一次試飛後SpaceX對超重-星艦的兩級分離方案進行了改進，由原來基於轉動慣量守恆的自旋分離方案改為了熱分離，能夠將系統的運載能力提高約10%。該方案是指，在兩級分離前，二級發動機就點火啓動，之後一、二級之間的連接再解鎖。熱分離期間，一子級仍有部分發動機保持點火工作，並處於節流狀態。為實現熱分離，SpaceX在一級頂部安裝了新的熱分離部段，也稱為通風式級間段。該部段有兩個作用：一是將廢氣向外引流，二是為超重助推級頂部提供防護。當前為了減輕一級返回時的質量，熱分離級在一級執行完返回點火併關機後被拋掉，未來該結構將大幅減重並集成到一級上，並與一級一同返回發射台進行回收複用。

3、熱防護系統

對熱防護系統（TPS）的改進是星艦飛船級系統設計的關鍵，全箭18000片隔熱瓦，總重約10.5噸，TPS的拆舊和重新安裝大約需要1.2萬個工時，人工成本約為100萬美元。在多次試飛中TPS都出現了問題，尤其是在IFT-4飛行中出現的問題更為明顯，飛船級的前襟翼在返回過程中部分被燒穿，為此SpaceX在IFT-5中對瓦片進行了新設計，使隔熱瓦的強度增加一倍，並在此基礎上增加了新的燒蝕熱防護層，應用於受熱影響最嚴重的區域，固定在隔熱瓦下方。此前的設置從下到上依次是毛氈、網格和瓷磚。而新設計順序是毛氈、網格、燒蝕材料和瓷磚。

4、推力矢量控制（TVC）系統

推力矢量控制系統由原來的液壓驅動改為電動。首先在IFT-2的助推級中進行應用，隨後在IFT-3的飛船級中進行應用。取消配備液壓動力裝置（Hpus）後，系統大幅簡化，比原來的液壓系統更可靠、更節能。這項改變使系統減少大約1噸以上的結構質量。

5、箭體結構

SpaceX對超重-星艦箭體結構的改進是持續的，馬斯克稱每次飛行試驗間的改動超過上千項，其中絕大多數都是箭體結構硬件上的改進。如，在IFT-1後，調整了助推級底部長排罩的長度，內部安裝了更大更長的高壓氣瓶，旨在提高發動機艙的防火能力；優化了發動機推力結構，增加銑削部分，進一步減重；在柵格舵外表面上增加了額外的加固板，以增加柵格舵的抗翹曲強度等。IFT-2後，助推級採用了新的貯箱共底設計，頂部更加平滑；設計製造了新的超重助推級發動機艙分隔板，用於防止相鄰發動機爆炸對其造成影響；飛船級採用了更大的PEZ分配器支架；在液氧貯箱下部，增加了多條內部縱梁柱，以提升箭體的結構強度。IFT-3後，對超重助推級氧氣貯箱內進行了硬件改進，以進一步提高推進劑過濾能力；在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；減少隔熱瓦中的水平接縫數量，箭體上較小瓦片的過渡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。IFT-4後，改變了鼻錐上天線的位置和大小；星艦飛船級增加兩個新通風口；增加穩定點縱梁。IFT-5後，加固關鍵部位結構強度；更新FTS、通風口、線槽等的設計。

6、地面系統

對地面系統的升級主要包括在發射架下增加了水冷鋼板和噴水降噪系統，以避免發射台像在IFT-1中那樣在火箭起飛時遭到破壞。整個發射台底部被鋼板覆蓋，鋼板內有中空的夾層和流道。火箭發射時，夾層中有大量冷卻水流過，從而迅速帶走發動機噴流的巨大熱量。同時，鋼板根據發動機分佈位置，設置有大量噴水孔，以一定角度向上噴水，部分抵消起飛時發動機產生的熱流和噪音，避免對混凝土和鋼結構造成破壞。根據監管要求，水冷鋼板最多使用30次。該系統運行需要約1366.5噸水，每次運行後，廢水將通過集水系統回收至儲水罐。此外，SpaceX還對發射台區域雨水進行收集，用於進一步補充儲水罐。

此外，發射場的推進劑存儲區域經過重新設計，根據幾次試驗的結果顯示，立式儲罐在試飛中極易受到損壞，因此報廢並拆除了立式儲罐，用卧式儲罐進行了代替，並增加了過冷器，使推進劑加註速度明顯提高。升級後加注提速情況見下表。

表5  升級前後推進劑加註時間對比

7、生產設施

為了迎合高速的試驗節奏，SpaceX還重新配置了星基地的生產設施，拆除舊建築，並準備增加裝配廠房容量。同時，正在建設一個新的組裝工廠。星基地生產設施的佈局變化將持續到明年。按照規劃，星基地工廠建設完成並全部投入運行後，預計每週能夠生產3個星艦飛船級。

SpaceX還一直忙於為星基地的第二個軌道發射塔的建造。第二座發射塔的機械臂已完成安裝，目前正在組裝快速斷開（QD）臂和發射架。

三、未來規劃

（一）近期啓用二代超重-星艦，進入下一階段試驗

SpaceX規劃了三代超重-星艦，原計劃利用第一代超重-星艦進行4~5次綜合飛行測試後過渡至第二代，實際情況比原計劃略緩。

接下來，SpaceX將啓用的星艦S33原型機是第一枚二代星艦飛船級。SpaceX已對其進行了多次低温壓力測試，並安裝了熱防護層。計劃用於第七次綜合飛行試驗（IFT-7），計劃對星艦飛船級進行一次海上濺落試驗後，將開展飛船級的回收試驗。就目前所知信息，二代星艦的改進至少包括：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。

超重-星艦項目的測試重點將轉移至對星艦飛船級的回收能力、船對船的在軌推進劑轉移能力以及有效載荷部署能力的驗證。還將在早期的“二代星鏈”衞星發射任務中積累數據和經驗，進一步支撐系統設計和操作的改進。

（二）中期開始工程化應用，逐步替代獵鷹全系列火箭

在通過星鏈任務完成演示驗證後，超重-星艦將投入工程化應用。SpaceX認為按照目前的研製進度，有望在2025年實現25次超重-星艦的發射任務。在2025年底實現超重-星艦兩週一發的發射頻率。

其他重要任務，如：NASA的阿爾忒彌斯計劃和SpaceX的火星殖民計劃也將陸續啓動。NASA的阿爾忒彌斯-3任務計劃在2026年下半年執行，作為該任務中的重要一環，星艦月球着陸器將在此次任務中搭載航天員往返月球軌道與月面之間，如果最終實現，這將是半個世紀以來首次載人登月任務。SpaceX規劃的火星任務也將在2026年嘗試執行首批5次不載人的火星發射任務。如果不載人任務安全着陸，那麼首次載人火星任務將在2028年嘗試進行。

在超重-星艦實現量產後，成本可能達到1000萬美元或更低。SpaceX將用其逐步替代獵鷹9和獵鷹重型火箭的發射，其中包括龍飛船載人任務，而整個替代過程可能需要6~8年。

（三）遠期開展星際運輸航行

SpaceX計劃在21世紀中期建立自給自足的火星殖民地。為實現這個目標，需要大約1000艘星艦。

除了SpaceX的火星殖民計劃，SpaceX還規劃了未來更遙遠的深空探測。星艦將穿越太陽系，抵達地球周圍的物體雲，甚至柯伊伯帶（35~80AU）或奧爾特彗星雲（0.03~3.2光年）。

四、小結

（一）筷子回收的優化與完善是後續迭代改進的關鍵點

為實現助推級回收捕獲，SpaceX需要在起飛後很短時間內對地面的軌道發射/集成塔和超重助推級的箭上數據進行評測，各系統需滿足上千項標準後，發射指揮才會在超重助推級“返回點火”結束之前手動給出允許返回發射場捕獲的指令。此次試飛中，在助推級分離之前（T+2分30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；但在“返回點火”結束，熱分離級分離後（約T+3分53秒）），發射指揮人員呼號“助推級離岸濺落”，表明已經放棄了塔架捕獲回收。SpaceX官方給出的原因是“軌道發射/集成塔上關鍵硬件的自動運行狀態監測觸發了中止一級捕獲嘗試”。事後，有猜測可能是由於超重-星艦起飛過程中損壞了軌道發射/集成塔頂部關鍵結構，見圖9。後續SpaceX將繼續優化筷子回收技術，平衡安全性、經濟性和實用性。

圖9 軌道發射/集成塔頂部疑似受損

（二）超重-星艦項目取得階段性成果，未來將進一步加快驗證腳步

在不到兩年時間裏，SpaceX通過第一代超重-星艦成功實施了6次綜合飛行試驗，在遭遇各類技術問題和部分失利情況的同時，獲得了寶貴的數據和經驗，促進了星艦系統的快速迭代，已基本驗證了系統和回收方案的可行性。隨着星基地的生產能力進一步提升，以及美國政府對於商業發射監管政策的優化，2025年超重-星艦的試飛頻率很可能將進一步加速：星基地建設的負責人表示2025年年末將達到2週一次的發射頻率；而NASA月球着陸器項目負責人也表示，希望SpaceX在東海岸建成新的星艦發射工位後，能夠利用兩個發射場實現每週發射1次的能力。在發射頻次提高的後，星艦飛船級的再入返回、塔架捕獲回收等將更快得到驗證，而更大的星鏈衞星也極有可能在2025年開始利用星艦進行部署。SpaceX公司總裁肖特維爾則表示，在6～8年內，超重-星艦將逐步替代現有的獵鷹系列火箭和龍飛船，服務商業、政府、軍方等多類用户。