一代超重-星舰综合飞行试验情况总结分析_风闻

来源：微信公众号“中国航天”

一代超重-星舰综合飞行试验情况总结分析

——第6次飞行试验结束

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）

2024年11月20日，SpaceX成功执行了超重-星舰第六次综合飞行试验（IFT-6），虽然最终因轨道发射/集成塔上关键硬件的自动运行状态监测触发问题，中止一级捕获尝试，但仍然实现了大部分既定目标，验证了猛禽发动机的在轨重启和新的热防护方案。此次试飞距离超重-星舰颇具历史意义的第五次试飞仅37天。任务中消耗了最后一枚第一代星舰飞船级（星舰V1），标志着超重-星舰项目的轨道级试飞过渡至第二阶段。

图1 超重-星舰第6次综合飞行试验

一代星舰的试飞在推动项目发展进程中起到了关键作用。本文对星舰第六次综合飞行试验情况、星舰本阶段试飞情况进行总结分析，并对未来任务规划进行介绍。

一、第六次综合飞行（IFT-6）试验情况

（一）试验目标

IFT-6发射窗口从美国中部时间11月19日下午4：00开启，持续时长为30分钟。10月13日执行的超重-星舰综合飞行测试（IFT-5）是超重-星舰向完全快速可重复使用发射系统迈进的重要一步，超重助推级成功返回发射场，并被筷子机械臂空中捕获，星舰飞船级展示了多项改进，并最终在印度洋目标区域实现了受控再入和高精度溅落。星舰IFT-6飞行路径与IFT-5基本相同，需要完成超重助推级的“筷子回收”，以及星舰飞船级再入返回，在这一基础上对本阶段的升级进行验证，旨在扩大飞船和助推级能力的范围，并更接近实现整个系统的再利用，重点关注以下几个方面：

一是验证超重助推级系统升级的有效性。在上一次的测试中，由于阀值设置问题，险些造成误判，放弃对健康火箭的捕获和回收。因此，在后续的改进中，SpaceX工程师们对系统进行了升级，包括提高了助推级动力系统的安全性，修改了软件设置和判断准则等。

二是验证飞船热防护层的性能。本次飞行测试将包含多项热防护实验和操作调整，旨在挑战星舰的极限能力，并收集飞行数据，为星际飞船的捕获回收与重复使用提供数据。在下降的最后阶段，飞船将故意以大迎角飞行，以测试襟翼控制的极限，并收集未来着陆特性的相关数据。

三是验证猛禽发动机在轨二次点火重启能力。星舰飞船在轨运行期间对单台猛禽发动机进行重启测试，以进一步演示验证飞船离轨所需的点火机动能力。

此外，发射时间安排在下午，是为了能白天在印度洋上空再入大气层，从而改善监控视频的效果。

表1 超重-星舰IFT-6飞行时序

图2 超重-星舰IFT-5飞行剖面图

（二）试飞箭及改进

本次飞行试验采用了超重B13和星舰S31。B13超重型助推级第一批部件于2022年12月出现在星基地，2023年9月开始组装，在2024年2月完成组装。S31星舰飞船级于2022年8月首次出现在星基地，2023年8月开始组装，两个月后完成组装。两级其他主要试验项目见表2和表3。

表2 星舰S31地面试验历程

表3 超重B13地面试验历程

超重B13助推级与上一次测试用的超重B12大致相同。主要变化在于软件。在收集了第一次成功捕获的大量数据后，SpaceX团队更新了软件控制以及返回协议。而硬件方面的变化包括：①增加关键区域的结构强度和支撑，如长排罩增加铆钉固定；②两个飞行中止系统（FTS）安装盒位置都有轻微调整，顶部FTS安装盒采用了与底部FTS安装盒同样的设计，与左前侧线槽的连接更为简化；③左前侧线槽经过重新设计，并稍微延伸至助推级顶部。④助推级侧面的“牛铃”（Cowbell）通风口采用了全新、更小的设计。

图3 长排罩加固（左）及新通风口设计（右）

图4 超重B13顶部与底部FTS

星舰S31飞船级的变化主要在于热防护系统。飞船采用了新型热防护材料。SpaceX团队还移除了位于飞船两侧的大量隔热瓦（大约7～8排），上述被移除隔热瓦的位置本身受热条件并不十分严苛，计划未来用于安装捕获辅助硬件。通过移除隔热瓦，使得结构整体减重400～500千克，同时能够在飞行任务中测试该区域的耐热性能。

图5 星舰S31两侧隔热瓦铺设情况（左侧为拆除前、右侧为拆除后）

图6 星舰两侧拆除隔热瓦的位置

（三）试飞情况

美国中部时间2024年11月19日16:00（北京时间2024年11月20日6:00），第6枚超重-星舰试飞箭从博卡奇卡星基地1号轨道发射/集成塔起飞。本次试飞箭由超重B13（一级）和星舰S31（二级）组成。此次飞行试验的升空推力约为7500吨，质量约为5000吨。本次试验持续时长1小时5分40秒。

1、上升段

起飞后，一级33台发动机全程正常工作；

起飞后约59秒，箭体通过最大动压（Max-Q）；

起飞后2分30秒，直播的技术人员表示，已经听到了信息，表示发射塔的状态允许一级返回进行回收；

起飞后2分35秒，一级按预定程序关闭30台猛禽发动机，只保留3台中心发动机继续工作；

起飞后约2分41秒，二级6台发动机启动，一、二级热分离，此时高度约为63千米，速度为5295千米/小时。

2、一级返回

起飞后约2分46秒，一级与二级分离后，进行姿态翻转调整飞行方向，同时重启中圈10台猛禽发动机，进行返回点火（Boostback Burn），朝向博卡奇卡的发射场方向飞行。此时高度为71千米，速度为5192千米/小时；

起飞后约3分28秒，一级中圈10台猛禽发动机关机，10台中圈发动机工作时长约42秒。此时高度为92千米，速度为1450千米/小时；

起飞后约3分36秒，一级中心3台猛禽发动机关机，3台中心发动机在分离后工作时长约55秒。此时高度为94千米，速度为1425千米/小时；

起飞后约3分58秒，发射指挥人员呼号“助推级离岸溅落”；

起飞后约6分34秒，一级相继启动中心3台和中圈10台猛禽发动机，进行着陆点火（Landing Burn），高度约1～2千米，速度为1275千米/小时；

起飞后约6分41秒，一级中圈10台猛禽发动机关机，仅保留中心3台发动机工作，中圈10台工作时长约7秒。此时高度小于1千米，速度为169千米/小时；

起飞后6分52秒，一级与水面接触，此时速度约28千米/小时；随后发生爆炸。一级溅落时姿态良好。

图7 一级海上溅落

3、二级飞行和再入返回

二级点火启动后与一级分离，6台发动机开始长时间工作。

起飞后约7分55秒，二级3台真空型猛禽发动机关机；

起飞后约8分30秒，3台海平面型发动机关机，二级开始滑行，高度最高达到190千米，绕行地球近半圈；

起飞后约37分45秒，在微重力环境下重启二级中心一台猛禽发动机，此时高度为137千米，速度为26564千米/小时，运行5秒后发动机关机，此时高度为136千米，速度为26639千米/小时；

起飞后约46分41秒，发射指挥人员呼号表示进入85千米高度，二级襟翼开始进行气动控制，速度为26767千米/小时；

起飞后约48分08秒，发射指挥人员呼号表示二级开始进入强加热阶段，高度78千米，速度26518千米/小时；

起飞后约52分47秒，发射指挥人员呼号表示二级经历的强加热阶段已经过半，高度67千米，速度22933千米/小时；

起飞后约58分11秒，发射指挥人员呼号表示，强加热阶段即将结束，星舰状态良好，此时高度53千米，速度14126千米/小时；

起飞后约1小时40秒，发射指挥人员呼号表示二级已通过最大动压，高度41千米，速度7173千米/小时；可以看到襟翼未受到明显损坏，但仍有等离子体通过后襟翼的铰链。

起飞后约1小时3分04秒，发射指挥人员呼号，二级在亚声速下以腹部向下姿态下落，高度16千米，速度782千米/小时；

起飞后约1小时5分10秒，二级3台中心发动机进行着陆点火（Landing Burn），并进行翻转机动；

起飞后约1小时5分21秒以垂直姿态在海上溅落。

图8 星舰飞船级海上溅落

二、一代超重 - 星舰的历次综合飞行试验

（一）飞行试验历程

SpaceX公司于2011年正式启动猛禽液氧甲烷发动机的研发，2016年正式公布星际运输系统ITS，于2019年下半年进入飞行测试阶段，首先利用星跳号进行了150米级的低空飞行试验，利用全尺寸原型样机MK系列完成了总装、贮箱加压试验，利用SN系列原型机完成了静点火试车和10千米级的高空飞行试验。随后于2023年4月转入整箭的轨道级综合飞行试验。

在不到两年的时间里，SpaceX利用第一代超重-星舰（超重-星舰V1）完成了6次综合飞行试验，见下表。

表4  一代超重-星舰（超重-星舰V1）综合飞行试验（IFT）情况统计 

（二）迭代过程中的主要改进

通过上述综合飞行试验，使SpaceX获得了关于全系统性能的宝贵数据，以此为依据，SpaceX对超重-星舰系统及配套设施进行了多项改进。重点如下：

1、动力系统

在第一阶段的前四次试飞中或多或少都暴露出动力系统存在的问题。为此，SpaceX多次对动力系统进行了改进。短期的改进重点在发动机热防护、防火功能和发动机关机逻辑等方面。由于更多的热防护，增加了系统的结构质量，这也可能是SpaceX最终决定采用热分离的原因之一。而长期的改进重点在液氧阀门设计、阀门密封结构，以及歧管设计等。

此外，SpaceX还持续推进猛禽发动机的升级，已经迭代到第三代猛禽，实现了设计方案的极简化。第三代猛禽发动机（猛禽V3）设计海平面推力280吨，真空比冲为350秒，结构质量仅为1525千克，并在今年8月启动了首次试车。不过，目前超重-星舰主要采用第二代猛禽（猛禽V2）作为主动力，该发动机海平面推力约为230吨，但曾于2024年5月份在35兆帕的极限工况下持续稳定工作45秒，推力达到269吨。另外，SpaceX还针对猛禽V2开展了极限快速启停试车验证，在10分钟时间内完成了34次启动和关机，每次点火持续8秒、关机8秒后再启动。随着猛禽发动机的升级，超重-星舰性能也将进一步提升，未来配备猛禽V3的第三代超重-星舰在一次性使用状态下运载能力可达400吨，重复使用状态下为200吨。

2、分离系统

在第一次试飞后SpaceX对超重-星舰的两级分离方案进行了改进，由原来基于转动惯量守恒的自旋分离方案改为了热分离，能够将系统的运载能力提高约10%。该方案是指，在两级分离前，二级发动机就点火启动，之后一、二级之间的连接再解锁。热分离期间，一子级仍有部分发动机保持点火工作，并处于节流状态。为实现热分离，SpaceX在一级顶部安装了新的热分离部段，也称为通风式级间段。该部段有两个作用：一是将废气向外引流，二是为超重助推级顶部提供防护。当前为了减轻一级返回时的质量，热分离级在一级执行完返回点火并关机后被抛掉，未来该结构将大幅减重并集成到一级上，并与一级一同返回发射台进行回收复用。

3、热防护系统

对热防护系统（TPS）的改进是星舰飞船级系统设计的关键，全箭18000片隔热瓦，总重约10.5吨，TPS的拆旧和重新安装大约需要1.2万个工时，人工成本约为100万美元。在多次试飞中TPS都出现了问题，尤其是在IFT-4飞行中出现的问题更为明显，飞船级的前襟翼在返回过程中部分被烧穿，为此SpaceX在IFT-5中对瓦片进行了新设计，使隔热瓦的强度增加一倍，并在此基础上增加了新的烧蚀热防护层，应用于受热影响最严重的区域，固定在隔热瓦下方。此前的设置从下到上依次是毛毡、网格和瓷砖。而新设计顺序是毛毡、网格、烧蚀材料和瓷砖。

4、推力矢量控制（TVC）系统

推力矢量控制系统由原来的液压驱动改为电动。首先在IFT-2的助推级中进行应用，随后在IFT-3的飞船级中进行应用。取消配备液压动力装置（Hpus）后，系统大幅简化，比原来的液压系统更可靠、更节能。这项改变使系统减少大约1吨以上的结构质量。

5、箭体结构

SpaceX对超重-星舰箭体结构的改进是持续的，马斯克称每次飞行试验间的改动超过上千项，其中绝大多数都是箭体结构硬件上的改进。如，在IFT-1后，调整了助推级底部长排罩的长度，内部安装了更大更长的高压气瓶，旨在提高发动机舱的防火能力；优化了发动机推力结构，增加铣削部分，进一步减重；在栅格舵外表面上增加了额外的加固板，以增加栅格舵的抗翘曲强度等。IFT-2后，助推级采用了新的贮箱共底设计，顶部更加平滑；设计制造了新的超重助推级发动机舱分隔板，用于防止相邻发动机爆炸对其造成影响；飞船级采用了更大的PEZ分配器支架；在液氧贮箱下部，增加了多条内部纵梁柱，以提升箭体的结构强度。IFT-3后，对超重助推级氧气贮箱内进行了硬件改进，以进一步提高推进剂过滤能力；在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；减少隔热瓦中的水平接缝数量，箭体上较小瓦片的过渡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。IFT-4后，改变了鼻锥上天线的位置和大小；星舰飞船级增加两个新通风口；增加稳定点纵梁。IFT-5后，加固关键部位结构强度；更新FTS、通风口、线槽等的设计。

6、地面系统

对地面系统的升级主要包括在发射架下增加了水冷钢板和喷水降噪系统，以避免发射台像在IFT-1中那样在火箭起飞时遭到破坏。整个发射台底部被钢板覆盖，钢板内有中空的夹层和流道。火箭发射时，夹层中有大量冷却水流过，从而迅速带走发动机喷流的巨大热量。同时，钢板根据发动机分布位置，设置有大量喷水孔，以一定角度向上喷水，部分抵消起飞时发动机产生的热流和噪音，避免对混凝土和钢结构造成破坏。根据监管要求，水冷钢板最多使用30次。该系统运行需要约1366.5吨水，每次运行后，废水将通过集水系统回收至储水罐。此外，SpaceX还对发射台区域雨水进行收集，用于进一步补充储水罐。

此外，发射场的推进剂存储区域经过重新设计，根据几次试验的结果显示，立式储罐在试飞中极易受到损坏，因此报废并拆除了立式储罐，用卧式储罐进行了代替，并增加了过冷器，使推进剂加注速度明显提高。升级后加注提速情况见下表。

表5  升级前后推进剂加注时间对比

7、生产设施

为了迎合高速的试验节奏，SpaceX还重新配置了星基地的生产设施，拆除旧建筑，并准备增加装配厂房容量。同时，正在建设一个新的组装工厂。星基地生产设施的布局变化将持续到明年。按照规划，星基地工厂建设完成并全部投入运行后，预计每周能够生产3个星舰飞船级。

SpaceX还一直忙于为星基地的第二个轨道发射塔的建造。第二座发射塔的机械臂已完成安装，目前正在组装快速断开（QD）臂和发射架。

三、未来规划

（一）近期启用二代超重-星舰，进入下一阶段试验

SpaceX规划了三代超重-星舰，原计划利用第一代超重-星舰进行4~5次综合飞行测试后过渡至第二代，实际情况比原计划略缓。

接下来，SpaceX将启用的星舰S33原型机是第一枚二代星舰飞船级。SpaceX已对其进行了多次低温压力测试，并安装了热防护层。计划用于第七次综合飞行试验（IFT-7），计划对星舰飞船级进行一次海上溅落试验后，将开展飞船级的回收试验。就目前所知信息，二代星舰的改进至少包括：①鼻锥上前襟翼变小，并向背风面移动，使前襟翼在再入过程中的受热情况得到缓解；②有效载荷舱变短，由原来的5个环形筒段缩减为3个，有更多空间加注推进剂，提高推进剂加注量；③每台猛禽真空发动机配备独立降液管。

超重-星舰项目的测试重点将转移至对星舰飞船级的回收能力、船对船的在轨推进剂转移能力以及有效载荷部署能力的验证。还将在早期的“二代星链”卫星发射任务中积累数据和经验，进一步支撑系统设计和操作的改进。

（二）中期开始工程化应用，逐步替代猎鹰全系列火箭

在通过星链任务完成演示验证后，超重-星舰将投入工程化应用。SpaceX认为按照目前的研制进度，有望在2025年实现25次超重-星舰的发射任务。在2025年底实现超重-星舰两周一发的发射频率。

其他重要任务，如：NASA的阿尔忒弥斯计划和SpaceX的火星殖民计划也将陆续启动。NASA的阿尔忒弥斯-3任务计划在2026年下半年执行，作为该任务中的重要一环，星舰月球着陆器将在此次任务中搭载航天员往返月球轨道与月面之间，如果最终实现，这将是半个世纪以来首次载人登月任务。SpaceX规划的火星任务也将在2026年尝试执行首批5次不载人的火星发射任务。如果不载人任务安全着陆，那么首次载人火星任务将在2028年尝试进行。

在超重-星舰实现量产后，成本可能达到1000万美元或更低。SpaceX将用其逐步替代猎鹰9和猎鹰重型火箭的发射，其中包括龙飞船载人任务，而整个替代过程可能需要6~8年。

（三）远期开展星际运输航行

SpaceX计划在21世纪中期建立自给自足的火星殖民地。为实现这个目标，需要大约1000艘星舰。

除了SpaceX的火星殖民计划，SpaceX还规划了未来更遥远的深空探测。星舰将穿越太阳系，抵达地球周围的物体云，甚至柯伊伯带（35~80AU）或奥尔特彗星云（0.03~3.2光年）。

四、小结

（一）筷子回收的优化与完善是后续迭代改进的关键点

为实现助推级回收捕获，SpaceX需要在起飞后很短时间内对地面的轨道发射/集成塔和超重助推级的箭上数据进行评测，各系统需满足上千项标准后，发射指挥才会在超重助推级“返回点火”结束之前手动给出允许返回发射场捕获的指令。此次试飞中，在助推级分离之前（T+2分30秒），发射指挥人员呼号表示发射塔的状态允许一级返回进行回收；但在“返回点火”结束，热分离级分离后（约T+3分53秒）），发射指挥人员呼号“助推级离岸溅落”，表明已经放弃了塔架捕获回收。SpaceX官方给出的原因是“轨道发射/集成塔上关键硬件的自动运行状态监测触发了中止一级捕获尝试”。事后，有猜测可能是由于超重-星舰起飞过程中损坏了轨道发射/集成塔顶部关键结构，见图9。后续SpaceX将继续优化筷子回收技术，平衡安全性、经济性和实用性。

图9 轨道发射/集成塔顶部疑似受损

（二）超重-星舰项目取得阶段性成果，未来将进一步加快验证脚步

在不到两年时间里，SpaceX通过第一代超重-星舰成功实施了6次综合飞行试验，在遭遇各类技术问题和部分失利情况的同时，获得了宝贵的数据和经验，促进了星舰系统的快速迭代，已基本验证了系统和回收方案的可行性。随着星基地的生产能力进一步提升，以及美国政府对于商业发射监管政策的优化，2025年超重-星舰的试飞频率很可能将进一步加速：星基地建设的负责人表示2025年年末将达到2周一次的发射频率；而NASA月球着陆器项目负责人也表示，希望SpaceX在东海岸建成新的星舰发射工位后，能够利用两个发射场实现每周发射1次的能力。在发射频次提高的后，星舰飞船级的再入返回、塔架捕获回收等将更快得到验证，而更大的星链卫星也极有可能在2025年开始利用星舰进行部署。SpaceX公司总裁肖特维尔则表示，在6～8年内，超重-星舰将逐步替代现有的猎鹰系列火箭和龙飞船，服务商业、政府、军方等多类用户。