二代星艦首飛意外快速解體情況分析_風聞

來源：中國航天

二代星艦首飛意外快速解體情況分析

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）

2025年1月17日，SpaceX成功執行了超重-星艦第七次綜合飛行試驗（IFT-7），再次成功捕獲超重助推級，但星艦飛船級由於推進劑泄漏導致了意外快速解體。本次試驗中首次啓用了改進升級後的二代星艦飛船級，距離上一次飛行僅58天，有可能是超重-星艦的最後一次不入軌試飛。本文將對此次事件進行梳理，並對二代星艦升級情況進行介紹。

圖1 超重-星艦第七次綜合飛行試驗

一、試驗目標

IFT-7發射窗口從美國中部時間1月16日下午4：00（北京時間1月17日上午6:00）開啓，持續時長為60分鐘。本次飛行任務剖面與之前的類似，目標是嘗試一級捕獲，二級在印度洋濺落。此外，還重點關注以下幾個方面：

星鏈模擬器部署：將部署10個星鏈模擬器，其大小和重量與下一代星鏈衞星相似，這是衞星部署任務的首次飛行驗證。星鏈模擬器將與星艦處於相同的亞軌道上，濺落目標為印度洋。

發動機在軌重啓：在軌重啓星艦飛船級的1台猛禽發動機。

首次複用猛禽發動機測試：超重助推級33台主發動機中的1台為複用猛禽發動機，曾用於支持超重-星艦第五次試飛。

熱防護系統性能測試：星艦飛船級拆除了大量隔熱瓦，以對整個飛行器脆弱區域進行極限測試。測試多種金屬隔熱材料方案（包括主動冷卻方案），驗證未來的替代熱防護方案。在飛行器的側面，安裝了“非結構”版本的飛船捕獲配件，以測試其對熱防護的影響。瓦片鋪設的邊緣變得平滑而細小，以解決在第六次飛行測試中重返大氣層時觀察到的熱點問題。

 圖2  主動冷卻測試點

測試襟翼的結構強度：調整了星艦的再入剖面，從而能夠在最大再入動壓條件下，對襟翼結構的極限承載能力進行測試。

軌道發射/集成塔可靠性測試：在“筷子”上測試幾個雷達傳感器，目的是在捕獲過程中提高“筷子”和助推級之間距離的準確性。此外，為提高助推器回收的可靠性，SpaceX還對軌道發射/集成塔的硬件進行了升級，包括對在上一次發射中受損並造成放棄助推級回收的發射/集成塔上的傳感器進行保護。

表1  超重-星艦IFT-7飛行時序

圖3  超重-星艦IFT-7計劃飛行剖面圖

二、試飛情況

美國中部時間2025年1月16日16:38（北京時間2025年1月17日6:38），第7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B14（一級）和星艦S33（二級）組成。

（一）上升段

起飛後，一級33台發動機全程正常工作；

在起飛後約40秒後，直播畫面顯示飛船級有效載荷艙外部的一塊加強板翹起；

圖4  有效載荷艙一塊加強板翹起

起飛後約1分18秒，箭體通過最大動壓（Max-Q）；

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，此時高度約為60千米，速度為4430千米/小時；

起飛後約2分43秒，二級6台發動機啓動，一、二級熱分離，此時高度約為64千米，速度為4318千米/小時。

（二）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，按程序應重啓中圈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，但其中一台未能重啓。此時高度為66千米，速度為4282千米/小時；

圖5  返回點火中一台發動機未能重啓

起飛後約3分28秒，一級中圈9台猛禽發動機關機。此時高度為87千米，速度為1574千米/小時；同時，發射指揮人員呼號“一級返回”；

起飛後3分38秒，一級中心3台發動機關機，此時高度89千米，速度1626千米/小時；

起飛後3分42秒，發射指揮人員呼號“一級捕獲”；

起飛後3分45秒，拋掉熱分離級；

起飛後約6分31秒，一級相繼啓動中心3台和中圈10台猛禽發動機（包括返回點火未啓動的1台發動機也正常啓動），進行着陸點火（Landing Burn），高度約1～2千米，速度為1236千米/小時；

起飛後約6分38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209千米/小時；

起飛後6分54秒，中心3台發動機關機，一級被“筷子”接住，一級狀態良好。

（三）二級飛行

二級點火啓動後與一級分離，6台發動機開始長時間工作，但在此期間多台發動機發生異常關機；

起飛後約7分40秒，有1台中心發動機異常關機；此時高度141千米，速度17756千米/小時；

圖6  星艦一台中心發動機異常關機

起飛後約7分58秒，最後來自星艦上的畫面顯示後襟翼鉸鏈執行器區域有火焰溢出；

圖7  直播視頻中星艦上的最後一幀畫面顯示有火焰從鉸鏈處溢出

起飛後約8分02秒至起飛後約8分24秒，又先後有4台發動機異常關機，上述異常關機過程中，直播畫面遙測信息顯示甲烷推進劑快速減少；隨後跟蹤信號丟失。信號丟失時顯示星艦最後的高度為146千米，速度為21286千米/小時。

圖8  星艦五台發動機異常關機

三、故障原因

事後，馬斯克通過社交媒體表示，初步確認“在星艦飛船級飛行過程中，出現了液氧/燃料的泄漏，泄漏部位在發動機防火牆上方的空腔內，而泄漏的量足以產生超過通風口能力的壓力”。SpaceX官網公佈信息稱，星艦尾部起火，導致星艦的快速意外解體。馬斯克表示，後續將開啓事故調查，並“將在尾部添加滅火裝置，並可能增加通風口面積”。上述措施此前曾在超重一子級的改進上。

圖9  星艦發動機裙段上的通風口

此外，馬斯克還表示“沒有任何跡象表明下次發射要推遲到下個月之後”，後續飛行試驗有可能不會受到本次失利的影響。

四、第二代星艦及改進

本次飛行試驗採用了超重B14和星艦S33。超重B14與上一次試飛的超重助推級技術狀態基本一致。值得關注的是，它採用了一台複用發動機，安裝於一級33台發動機的外圈，這台編號為314的猛禽發動機之前應用於第5次試飛的超重B12原型機。

圖10  複用的314號猛禽發動機

星艦S33則是一艘經過重大升級的新一代星艦。

（一）推進系統

第二代星艦（星艦V2）高度為52.1m，比第一代（星艦V1）高1.8m。同時，壓縮了原來的有效載荷空間以及其他空間，推進劑貯箱的空間得以大幅增加。相比星艦V1，星艦V2的推進劑加註量增加了25%，從1200t增加至1500t。

圖11  一代星艦（左）VS二代星艦（右）（來源：SpaceX FrontPage@facebook）

為滿足執行未來軌道補給操作和深空探測任務在軌道上停留更長時間的需求，星艦V2對飛船級推進劑輸送管路系統進行了升級，此前的星艦V1只為頭部小貯箱的管路設置了真空夾套，而星艦V2則為整套飛船級推進劑輸送管路都增設了真空夾套，旨在為整套內部管道提供更好的隔熱效果。

圖12  疑似推進劑輸送管路真空夾套 來源：Starshipgazer.com

此外，其真空型猛禽發動機採用了新的推進劑輸送管路系統，用於控制閥門和讀取傳感器數據的電氣模塊也得到升級，上述改進增加了飛船級性能，並能夠增加飛行時間。

（二）熱防護系統

馬斯克多次強調星艦系統的最大技術挑戰是快速且完全重複使用的熱防護，因此，SpaceX重點針對此前試飛中出現的問題，對星艦V2的熱防護系統進行了多項升級，有望提高飛船的再入可靠性。

首先，使用最新一代防熱瓦，新設計中儘量減少膠粘部分，採用了備用層以防止瓦片丟失或損壞，升級後的飛船防熱瓦片數量大約有18500塊。

其次，後襟翼後方鋪設的防熱瓦不再有一組拖尾，這可能是SpaceX根據獲得的再入飛行數據進行的調整。

圖13  後襟翼後方隔熱瓦的覆蓋情況改進前（左）VS改進後（右）（來源：Ringwatchers.com）

最後，為了進一步加強襟翼轉軸熱防護結構的耐熱性能，安裝了間隙填充物，並重新設計了其邊緣過渡防熱瓦的形狀，從方形調整為梯形。

圖14  襟翼轉軸熱防護結構附近的隔熱瓦改進前（左）VS改進後（右）

（三）前襟翼

前襟翼在前幾次試飛中被證明存在設計缺陷，尤其是鉸鏈部位在再入後期階段會被等離子體破壞。為了解決上述問題，星艦V2飛船級的前襟翼尺寸減小，並移向背風面，從原來的彼此相隔180°縮小至140°，大大減少了它們在再入時的受熱條件。前襟翼輪廓與舊襟翼相比，整體呈“掃掠”外觀。底部邊緣成角度，外側邊緣較短，拐角不再呈90度角。

圖15  前襟翼改進前（左）VS改進後（右）

星艦V1的前襟翼厚度並不一致，在靠近鉸鏈附近較厚，並外側邊緣處較薄；星艦V2襟翼的厚度差異明顯減小，這樣做降低了結構和熱防護的工藝複雜性。

圖16  前襟翼前緣簡化前（左）VS簡化後（右）（來源：https://ringwatchers.com/article/s33-nose#flap-relocation）

圖17  鉸鏈連接機構改進前（左）VS改進後（右）

（四）有效載荷部署系統

星艦V2與後續升級版本的超重助推級配合使用時，能夠達到100噸的近地軌道運載能力。為實現該目標，SpaceX針對星艦V2重新設計並簡化了與有效載荷部署相關的幾個關鍵系統。

新設計的有效載荷艙門側面改為半圓形，這可以消除以前設計中可能存在的應力點。原來採用的雙層電鍍也得到了簡化，側面只有兩層板，上面和下面各有一層。

圖18  星艦有效載荷艙門改進前（上）VS改進後（下）

用於部署星鏈的有效載荷適配器被稱為“PEZ分配器”，能夠將大量此類扁平衞星運送到近地軌道。在星艦S33之前，SpaceX已經設計有兩個版本的PEZ分配器。第一個是星艦S24和星艦S25使用的小型分配器；第二個擴展構型在星艦S27上首次亮相，並用於所有後續原型機。在S33作為首枚二代星艦，採用了全新的PEZ分配器，能夠容納大約54顆星鏈V3衞星，其設計更加簡潔。

圖19  全新的PEZ分配器（左）及其部署星鏈衞星的概念圖（右）

（五）電氣系統

星艦飛船級的電氣系統也得到了大幅改進，增加了額外的功能和冗餘，應對日益複雜的任務，例如推進劑轉移和返回發射場。電氣設備升級包括更強大的飛行計算機、集成天線（整合了星鏈、GNSS和備用RF通信功能）、重新設計的慣性導航和星跟蹤傳感器、集成智能電池和電源裝置（可將2.7MW電力分配給飛船上的24個高壓執行機構）；箭載攝像頭增加到30多個，讓工程師能夠了解整個飛行器在飛行過程中的硬件性能。藉助星鏈，該飛行器能夠在飛行全程以120Mbps的帶寬即時傳輸高清視頻和遙測數據，為系統快速迭代提供寶貴的工程數據。

在之前的飛船設計中，4個星鏈終端安裝在頭錐上，以使星艦能夠在飛行的所有階段（包括重返大氣層）進行通信。升級後的星艦V2配備了6個星鏈終端，其中4個位於側面，2個位於有效載荷艙門下方。

圖20  星艦V2星鏈終端位置（來源：https://www.youtube.com/watch?v=d9hQbRC3M_Q）

（六）其他

除上述系統升級外，此次試驗中在飛船兩側還安裝了塔架回收捕獲所需的支撐結構，因其為突出結構，需要測試其對飛船總體熱防護性能的影響，為未來飛船級的捕獲回收做準備。

圖21  捕獲硬件

五、小結

（一）星艦解體碎片再入後FAA及時響應，一定程度上説明美國具有較為完善的發射活動監管和響應機制

星艦在巴哈馬羣島上空快速意外解體後產生了大量碎片，幾分鐘後碎片在約120公里的高度飛過特克斯和凱科斯羣島。儘管SpaceX官方表示所有碎片均在安全落區範圍內，但媒體報道稱美國聯邦航空管理局（FAA）啓動了緊急危險區域管制，碎片波及的空域短暫關閉，對多個航班產生影響。這説明，FAA作為航天發射許監管機構及航空交通管理機構，能夠有效協調發射活動對航空安全的影響，已經具有相對成熟的管理規則，保證公共安全。SpaceX也表示將配合FAA快速完成調查，以開展下一次星艦飛行試驗。因此，雖然超重-星艦的多次發射均因美國聯邦航空管理局（FAA）調查，而被迫推遲，但在具備完善監管規則的環境下，能夠保證公共安全，反而是為超重-星艦的快速迭代提供了保障。

圖22  星艦碎片可能經過的區域

 

圖23  多航班受此事件影響

（二）二代星艦設計尚需打磨，短期恐難以投入使用

本次二代星艦首飛任務出現多個異常，包括：上升段有效載荷艙外一塊加強板翹起；發動機點火啓動後，發動機艙內發生推進劑泄漏並起火，導致快速意外解體。試飛結果表明二代星艦系統設計仍存在多項薄弱點，尚需打磨。而且，星艦S33未能入軌，也未能進入再入飛行段，星鏈模擬器部署、新型熱防護方案、前襟翼改進等諸多目標未能得到驗證。此外，SpaceX在二代星艦上採用猛禽3發動機的計劃尚無明確時間，而猛禽3在2024年11月兩次試車出現故障，還需要進一步迭代。因此，二代星艦短期內很難投入實際應用。