“超重-星舰”第四次综合飞行测试情况简析_风闻

来源：中国航天

龙雪丹1杨开1  王林1  褚洪杰2

（1.北京航天长征科技信息研究所；2.中国航天科技集团有限公司）

美国东部时间2024年6月6日上午8:50（北京时间2024年6月6日20:50）SpaceX在德克萨斯州星基地的轨道发射台A利用超重B11和星舰S29原型机进行了超重-星舰的第四次综合飞行测试（IFT-4）。尽管助推级在上升过程和返回过程中各有1台发动机异常，星舰飞船级防热瓦仍然有脱落现象，前襟翼在返回过程中部分被烧穿，但成功进行了级间分离、热分离适配器分离，两级分别成功返回海上实现受控溅落。同时，飞行过程中持续接收到传回的数据信号，使SpaceX获得了大量有用数据，该试验结果符合SpaceX预期，标志着超重-星舰的研制实现了又一个新的重要里程碑。

一、计划及目标完成情况

（一）飞行试验计划

IFT-4计划于6月6日从德克萨斯州的星基地发射，发射窗口于美国东部时间上午8:00开放，时长120分钟。飞行轨迹设计与IFT-3基本相同。超重助推级将在发射后几分钟内返回，并溅落墨西哥湾。星舰飞船级再入大气，并在点火65分钟后溅落印度洋。具体飞行时序见表1。

IFT-4的测试重点从超重-星舰的“入轨能力”转至“返回和重复使用能力”。主要目标包括：超重助推级着陆点火，并瞄准海上“虚拟发射塔”的精准软着陆；星舰飞船级经受住再入时的“高温状态”（超过1400℃），并实现受控海上溅落。

为了收集飞船再入过程中的热防护性能，SpaceX对多种热防护方案进行测试，并通过传感器来观察这些位置的温度变化。包括：在星舰底部附近铺设了1块较薄的防热瓦；完全移除了2块防热瓦让不锈钢箭体暴露在环境中；还测试了一些备用的热保护方案。

表1 超重-星舰第三次试飞

飞行时序及实际飞行情况

尤其值得关注的是，本次发射的推进剂加注过程和飞行时序与以往有所不同。

推进剂加注过程。在IFT-3期间，SpaceX首先在T-53分钟时开始向星舰加注液氧，然后在2分钟后向其加注液态甲烷。而IFT-4则相反，在T-49分钟时首先向星舰加注液态甲烷，2分钟后采开始加注液氧。同样的，超重助推级的加注过程亦是如此，IFT-3在T-42分钟开始向超重助推级加注液氧，1分钟后加注液态甲烷。而IFT-4则在T-40分钟开始使用液态甲烷，3分钟后开始加注液氧。总之，为星舰加注推进剂的用时比上次飞行缩短约4分钟，仅比猎鹰9火箭加注推进剂所需的时间长约11分钟。SpaceX没有说明加注过程发生变化的原因，但已经针对储罐区的液氧和甲烷储罐进行了大量改进工作。过去几个月，作为地面系统工作的一部分，垂直储罐被替换为水平储罐。

飞行时序。虽然IFT-4和与IFT-3规划的任务结束（溅落）时间大致相同（大约1小时5分钟），但IFT-4通过删除一些额外IFT-3中飞船在轨进行的飞行目标而发动机重启等试验实现了简化了很多。同时，还添加了三个关键事件。

首先是在超重助推级完成返回点火（boostback burn）之后，也就是飞行大约4分钟之前，SpaceX将抛掉在超重助推级上的热分离适配器。为的是减少飞行最后阶段助推级的质量，据推测该结构连同其所有设备的重量略高于9吨，大约是助推级空载质量的4%。但这是一种非常规程序，仅为此次飞行采取的临时方法。未来的设计方案（超重-星舰V2）中，热分离适配器将大幅减重并集成到超重助推级上，将实现全箭的完全可重复使用。

另外两个事件包括T+01:05:38时的星舰“着陆翻转”机动，以及5秒后的“着陆点火”。除此之外，本次最大动压（MaxQ）预计在飞行后1分02秒达到，而IFT-3达到最大动压的时间是在起飞后52秒，相差10秒。

（二）飞行试验情况

美国东部时间6月6日上午8:50（北京时间6月6日20:50）超重-星舰点燃一级全部33台发动机从星基地起飞，比计划起飞时间推迟50分钟。此外，在起飞4秒后，外圈一台发动机异常关机，但未影响火箭飞行；起飞后约59秒，通过最大动压（MaxQ）；起飞后约2分53秒，星舰飞船级6台发动机启动，同时一二级分离。

超重助推级与星舰飞船级分离后，进行姿态翻转，调整飞行方向。起飞后约2分57秒后，超重助推级重启中心13台发动机，进入返回点火（boostback back）阶段，朝墨西哥湾（发射场方向）飞行。起飞后约3分56秒，超重助推级返回发动机关机，返回点火结束。起飞后约3分48秒，助推级抛掉热分离适配器，以减轻助推级着陆质量。在助推级下降的最后阶段，起飞后约7分09秒，重新启动中心13台发动机进行着陆点火（landing burn），但仅有12台启动，中圈1台发动机未能启动。起飞后约7分15秒，12台发动机反推将助推级速度降低至190千米/小时后，中圈9台发动机关机，仅保留中心3台发动机工作，进一步精确调整助推级速度。直播画面显示，在起飞7分27秒，超重助推级最小速度达到9千米/秒后，中心3台发动机分1台和2台先后关闭，助推级垂直溅落海面后倾倒。实现超重助推级着陆是该任务的首要任务。

图1 超重B11升空时

33台猛禽发动机中有一台未点火

星舰飞船方面，起飞后约8分37秒，星舰发动机关机，速度为26498千米/小时（约21.6马赫），高度150千米。入轨的轨道参数为远地点为213千米，近地点为－10千米，倾角26.5度。

起飞后约49分钟，星舰开始受控再入大气，遥测数据显示速度26460千米/小时，高度78千米。起飞后约51分29秒，发射指挥人员呼号表示星舰达到温度峰值，画面显示高度68千米，速度25166千米/小时。起飞后约54分39秒，发射指挥人员呼号表示开始冷却发动机，为着陆点火准备，高度64千米。起飞后约54分54秒，星舰度过了温度峰值区，高度63千米，随后大气密度增加，动压开始大幅提升。起飞后约57分23秒，在高温、动压的作用下，前襟翼出现明显热防护瓦剥离和结构损坏，并导致摄像头被散落物遮挡。起飞后约61分48秒，星舰经历最大动压，高度38千米，速度5644千米/小时。起飞后约65分30秒，星舰在2千米高度，达到约368千米/小时的终端速度（高于预计的200千米/小时），开始进行翻转机动，并在10秒后着陆点火，从水平姿态调整为垂直姿态，画面遥测数据显示最低速度降至2千米/秒，实现软着陆，溅落海上并倾倒。

图2 星舰飞行过程中时间-高度曲线(原图来自：Twitter@MaxFagin)

图3  星舰飞行过程中时间-加速度曲线(原图来自：Twitter@MaxFagin)

图4  星舰飞行过程中时间-速度曲线(原图来自：Twitter@MaxFagin)

图5  星舰飞行过程中高度-速度曲线(原图来自：Twitter@MaxFagin)

根据SpaceX的星链卫星在重返大气层时提供的直播画面，当其迎风面面对地球大气层的极端温度时，可以看到飞船周围出现了色彩缤纷的等离子体。期间，星舰上靠近摄像头视野的襟翼被烧焦，颗粒物遮挡了部分摄像头视野，信号也出现多次中断。直播画面显示星舰受到大气摩擦损坏严重，襟翼部分底座熔化，但旋转底座的铰链位于中间，并未完全受到影响。

 图6 星舰飞船级前襟翼的背风面（左）和迎风面（右）

图7 星舰S29右前襟翼底部受损

事后SpaceX表示：“飞船成功实现受控再入，成功通过了高温峰值和最大动压阶段，并展示了在以高超音速下降穿过大气层时使用襟翼控制飞船的能力。”

二、主要升级改进

2024年3月14日，超重-星舰进行了第三次综合飞行测试，即IFT-3。与IFT-2一样，IFT-3也实现了火箭的两级分离。在IFT-2的基础上，IFT-3还实现了星舰的全程上升燃烧。同时，这次测试中星舰首次从太空重返大气层、飞船有效载荷舱门首次在太空中打开和关闭，并成功完成了推进剂转移演示。这为星舰在轨推进剂转移提供了宝贵的数据，这将使NASA阿尔忒弥斯计划下的载人重返月球等任务成为可能。但试验中仍然暴露了一些关键问题。SpaceX针对这些问题对超重-星舰进行了升级改造。

改进1：针对超重助推级着陆点火时发动机提前关机

在IFT-3中，超重助推级在返回过程中进行着陆点火时，本应由13台发动机提供动力，但其中6台发动机已在此前返回点火中故障关机，而在剩余的7台发动机中，仅有2台确定成功实现了点火。最终，超重助推级在墨西哥湾上空约462米的高度失去联系，当时着陆点火推力低于预期，而此时任务执行时间不到7分钟。

针对上述情况，SpaceX对IFT-4试飞用的超重助推级的氧气贮箱内将进行了硬件改进，以进一步提高推进剂过滤能力。SpaceX还添加了新的硬件和软件，以提高猛禽发动机在着陆条件下启动的可靠性。

改进2：针对星舰飞船级返回期间不受控滚转

星舰飞船级在IFT-3中的主要问题在于再入返回期间缺乏姿态控制，表现为不受控滚转，使星舰箭体（包括有热防护的迎风面和无热防护的背风面）承受的热量比预期的要大得多。

SpaceX认为，造成星舰意外滚转最可能的原因是负责滚动控制的阀门堵塞，最终导致姿态控制部分丧失。为了解决姿态控制问题，已在S29的PEZ分配器舱门下方增加了新的侧滚控制推力器。以改善姿态控制冗余，并升级硬件以提高抗堵塞能力。

改进3：针对星舰飞船级防热瓦脱落

在IFT-3飞行期间，星舰S28上出现了明显的防热瓦脱落现象。为了改善该问题，SpaceX采取了多项措施，包括：①更换了特定区域（如鼻锥顶端、外部纵梁）的防热瓦粘合剂，将原来使用的含有氮化硼的蓝色导热粘合剂更换为红色粘合剂，有猜测该材料可能是一种硅胶RTV型材料；②增加防热瓦的附着力，对部分不锈钢表面进行了打磨；③投入大量人力进行检查，确保星舰S29的瓦片安装正确，其中重点关注的是襟翼表面；④减少防热瓦中的水平接缝数量，箭体上较小瓦片的过渡已移至后部现有的截面焊缝，从而消除了中部液氧贮箱上的接缝。

三、未来规划

（一）近期计划

马斯克计划，如果此次实现了超重助推级在海上的精准软着陆，那么将在超重-星舰的第五次综合飞行试验（IFT-5）中尝试让超重助推级返回并降落在发射塔上。马斯克乐观地认为，2024年实现超重助推级返回发射塔的几率可能是80%到90%，届时将使用发射塔上一对被称为“机械哥斯拉”的巨大机械臂来支撑超重助推级。而回收星舰飞船级将需要更长的时间，飞船级将至少连续2次成功受控海上溅落后，才会尝试在星基地着陆。因此，预计星舰飞船级的回收可能在2025年。SpaceX还计划在2025年演示船对船的在轨推进剂转移，对未来的载人月球着陆任务至关重要。

SpaceX正在努力加快超重-星舰的生产节奏，朝着每天生产一艘飞船的长期目标迈进。为满足高速发展需求，SpaceX加快建设超重-星舰地面设施，在星基地建造第二座星舰发射塔的同时，推进卡纳维拉尔角的另一星舰发射台的建设，卡纳维拉尔角星舰发射台有望在2025年年中建成。未来，星基地将主要承担超重-星舰的开发和测试，而大部分的发射将在卡纳维拉尔角进行。

（二）远期规划

2024年4月，马斯克公布了超重-星舰和猛禽发动机的远期规划。目前的试验型为第一代超重-星舰（超重-星舰V1）。第二代超重-星舰（超重-星舰V2）具备完全重复使用能力，箭体长度较V1增加约3米，在重复使用状态下将能够携带超过100吨的物体进入轨道。通过升级改进后，最终的第三代超重-星舰（超重-星舰V3）在完全重复使用状态下运载能力可达到200吨，在一次性使用时可达到400吨。箭体长度将增加20～30米，推力增加至10000吨。

图8 超重-星舰未来规划性能示意图

目前使用的猛禽发动机为第二代猛禽（猛禽V2），而SpaceX也将继续对其进行升级改进，未来的猛禽V3最终将能达到海平面推力280吨，真空推力306吨，同时它还具有更加简化和紧凑的设计，允许超重助推级省去发动机护罩。

图9 猛禽发动机未来规划性能示意图

四、分析总结

（一）多发动机并联方案的故障重构能力得到验证

虽然超重-星舰首飞（IFT-1）任务中，在出现多台发动机故障关机的情况下，仍能继续飞行，但最终爆炸解体，未能充分验证其故障重构能力。在本次任务中，两次出现单台发动机故障关机的情况下，仍达成了飞行任务的主要目标，真正意义上实现故障重构能力的验证，证明“小推力、多并联”的路径具备可行性和鲁棒性。首先，在上升阶段，超重助推级33台发动机中的1台在起飞后约4秒关机，并未对飞行造成显著影响。飞行时序中大多数事件出现滞后的情况，可能与发动机关机后的推力损失有关。其次，在助推级着陆点火期间，13台发动机中的1台未能启动，但也成功实现“软着陆”，以9千米/小时的低速溅落海上。

（二）重要部位热防护瓦是后续迭代改进的关键点

本次试验最突出的问题可能在于星舰右前襟翼热防护瓦受损之后，导致不锈钢结构部分损坏，尽管襟翼在最终着陆阶段仍能进行机动，但显然不可能重复使用。星舰飞船从78千米高度再入到海上溅落的过程大约17分钟，期间最高温度约为1430摄氏度，峰值温度持续约3分半，之后又会经历高动压的载荷环境。襟翼与机身铰链连接部分有明显缝隙，尽管SpaceX已经进行一定程度的“密封”，但显然还不足承受高温、高压的工作环境。马斯克此前已多次强调高可靠的重复使用热防护是实现超重-星舰完全重复使用的关键，本次试验后也再度表示“完全即刻重复使用轨道热防护此前还从未实现，是现在最难的问题。在多架（星舰）飞船级上持续迭代不同方案是解决问题的关键路径”，并提出新版星舰的前襟翼会更靠近背风面。此外，马斯克也强调不锈钢结构应对再入高温的突出性能，并将进一步完善SX300合金，使其能够承受更高的温度。

（三）通过飞行试验进行迭代优化的速度持续提升

马斯克曾表示，研发成本中最昂贵的是时间成本，为了压缩研发周期，SpaceX试图不断缩短星舰测试的周转时间。从IFT-1首飞到IFT-4，时间间隔分别为212天、117天和84天。SpaceX准备好一单次试飞的准备时间仅为一个月，而政府监管下的故障调查成了阻碍其试飞进度的主要因素。但美国联邦航空管理局（FAA）近期在发放IFT-4飞行许可的同时，允许在某些故障情况下跳过故障调查流程，包括：星舰再入时的热防护系统故障、星舰襟翼在再入时无法提供足够的控制，以及猛禽发动机在着陆点火时出现故障。根据本次试验的情况，很可能不再需要故障调查流程，FAA也未再像IFT-3飞行试验结束后给出故障的结论。因此，在政策松绑的情况下，超重-星舰的试飞频率可能会进一步提高。