星舰全五次发射的分析与总结（上）

首先声明：个人不认同将spacex与中国航天进行比较优劣，甚至上升到体制制度优劣的看法，中国航天的发展基础，任务目标和spacex都完全不同，两者不在一个层级上，不具备可比性。拿spacex在火箭制造上的成就来攻击中国航天就像拿保时捷919 Hybrid的纽北成绩来攻击整个中国乘用车产业一样荒诞。中国航天的嫦娥6号在今年实现了从月球背面取样返回，这同样是人类史无前例的壮举，是探索科学未知边界的伟大贡献。作为航天爱好者，中美航天事业的发展让我想起上世纪美苏争霸期间两国争相攀登航天科技高峰的伟业，伴随诞生的科技成就至今仍惠及大部分人类。Spacex作为当今新兴航天势力的代表，我们需要总结和学习它的长处，研究它如何快速的开发技术和改进缺陷，并用它的经验来发展自己，但不必因为它妄自菲薄。

北京时间10月13日晚8:25，SpaceX在美国得克萨斯州的星港（Starbase）发射场利用超重助推B12和星舰飞船S30原型机进行了第五次综合飞行测试（IFT-4）。星舰成功进行了级间分离和热分离环分离，一级成功实现了通过“筷子”机械臂进行原位回收，二级成功实现海上受控溅落。至此星舰在发射上已基本成熟，火箭发射原位回收的全流程理论可行性已完成验证，距离实现全箭原位回收仅一步之遥。

第五次发射实拍

本文旨在对星舰全五次发射做一个阶段性的总结，分析星舰在这五次发射中的实验目标，完成情况和每次发射的改进之处。本文参考和引用了中国航天杂志、中国宇航学会、星际荣耀空间科技股份有限公司公众号、航天爱好者公众号、集风斋公众号、三体引力波公众号和大航跃迁公众号的《“超重-星舰”首次入轨飞行测试及经验教训分析》《SpaceX公司超重-星舰组合体首飞异常情况初步分析》《超重-星舰第二次综合飞行试验情况分析》《整改7个月再试飞，马斯克的大火箭又炸了！但比上回成功点？》《星舰第二次轨道级飞行情况分析》《SpaceX“超重-星舰”第三次综合飞行试验情况简析》《浅析星舰第三次飞行测试（IFT-3）》《“超重-星舰”第四次综合飞行测试情况简析》《浅析星舰第四次飞行测试（IFT-4）》《星舰第四飞：最成功的试飞》《“超重-星舰”成功执行第五次综合飞行试验，首次实现一级回收》《星舰第五飞：首战告捷原位捕获超重型》《星舰第五次飞行分析讨论》等文章，以及b站up主ASPT-航天科普小组和熹天取经的部分视频中的大量内容。有想深入了解的朋友可以去看这些公众号和up主。我之前也写过一篇介绍星舰计划发展沿革的文章，有兴趣的朋友可以去看一下：星舰的过去，当下，以及未来。

观前提醒：本文约19900字，阅读需要约25分钟，将分为上下两个部分发布。

一，星舰技术方案介绍：

首先，我们对星舰的整体技术方案做一个简要的介绍作为背景。

超重助推-星舰飞船（下文简称“超重-星舰”）采用两级构型方案，由超重助推级（Super Heavy Booster）和星舰飞船（Starship）组成，它的设计目标是成为两级完全可重复使用的航天运载器，也就是火箭的一级二级都可完全回收，这与猎鹰9火箭和重型猎鹰火箭的仅一级可回收，二级整流罩可回收不同。

表1 “超重-星舰”主要参数

星舰总体方案示意图

星舰一级猛禽发动机的排布方式

星舰相比于其他火箭的特别之处如下：

1）以全复用火箭实现入轨成本大幅降低；

Spacex的目标是实现像飞机一样的航天器，能够完全重复使用，这样每次发射的成本将只包含推进剂成本和地面复用维护成本。简单以燃料成本计算，SpaceX全复用的星舰近地轨道运输最终目标成本为每公斤10美元，而航天飞机的成本为每公斤5.45万美元，两者之间有数千倍的差距。即使是和已经改变行业规则的猎鹰9号的报价每公斤5000美元相比，也有两到三个数量级的差距。

2）以不锈钢作为箭体材料以及模块化隔热瓦作为防热方案；

SpaceX曾经考虑以碳纤维作为箭体材料，然而碳纤维成本高昂，成本接近每公斤200美元，而不锈钢每公斤只需3美元。同时不锈钢与碳复合材料相比，需要的热防护措施较少，减少了所需隔热瓦的厚度和重量，从而弥补了钢材具有更高质量的这一缺点。在迎风面，SpaceX采用更加传统和成熟的隔热瓦进行隔热，通过完全相同的六边形隔热瓦的大规模生产和可替换性降低了生产和维护成本。

3）通过二级水平再入与机械臂空中锁定回收至发射场的技术路线

星舰一级在完成助推任务进行级间分离后，将掉头飞回发射场，并进行翻转机动，最终以垂直姿态降落，在接近地面时重启发动机进行反推，最终悬停并使用“筷子”机械臂进行回收。而星舰二级选择的是一种新颖独特的火箭着陆方式。它先是以腹部朝下的姿态降落，在自由落体的过程中张开两对尾翼进行气动减速。在大约500米的高度，它将启动两个猛禽发动机，将其完全倾斜，并折叠后尾翼，从水平方向摆动到垂直方向，这样星舰就可以尾部向下降落，并在到达地面时进入垂直悬停状态。通过火箭的两级自主返回发射场，spacex将能节省掉火箭从回收地点转运至发射地点的时间，实现火箭的快速复用，这也是与猎鹰9号和猎鹰重型技术方案的区别之一。猎鹰9号火箭在发射大质量载荷后，一级还需要从海上回收，再慢慢转运回发射场。

星舰二级折叠尾翼下落

星舰二级摆尾准备着陆

“筷子”系统的工作原理

二，星舰首次试飞（2023年4月20日，超重B7+星舰S24）

SpaceX将这次飞行称为“首次全面综合飞行测试”，是对“超重-星舰”的性能及地面发射支持能力的一次全面的验证，虽然火箭在起飞后约4min意外解体，但仍然取得了一定突破，“超重-星舰”全箭飞离发射台并达到39km最大高度。

2.1 实验目标

首次试飞目的是全面收集火箭、发动机、计算机和地面系统性能等方面数据，测试结果将用于设计模型改进。SpaceX认为，此次试验的成功与否并不以入轨为标准，而是通过在试验中取得的经验来衡量，这些经验将为快速推进“超重-星舰”的研发奠定基础。

2.2 发射流程

表2 “超重-星舰”原型机轨道飞行试验时序

首次试飞飞行剖面

此次发射原计划在4月17日进行，但在发射前不到10min宣布因助推器增压系统问题取消发射。马斯克称“一个加压阀似乎被冻结了”。在宣布取消发射后，SpaceX公司继续推进发射倒计时相关流程，直至T-00:00:40完成推进剂加注，目的是进行射前合练（WDR）。

3天后，“超重-星舰”终于迎来了正式的飞行测试。在T-00:00:40倒计时短暂中止，在解决完火箭推进剂贮箱增压问题后，又重置发射倒计时，最终在北京时间4月21日21:33，“超重B7+星舰S24”组合体从博卡奇卡的星基地轨道发射台-1（OLP-1）起飞。

起飞后直播画面显示，火箭一级33台猛禽中3台没有点火（2台位于外环，1台位于中心部分），30台持续发力。T+00:00:40，飞行高度达2km，第4台猛禽发动机失效。T+00:01:01，飞行高度达5km之际，第5台发动机失效。按照原计划，本应在T+00:00:55达到最大动压（Qmax），但星舰此时飞行速度和高度都达不到最大动压条件。直到T+00:01:18，箭体才通过Qmax。在T+00:01:40，飞行高度达14km，第6台发动机失效。T+00:01:51，飞行高度达17km，刚刚熄火的第6台发动机再次点火。

但随后一级开始排出大量白色气体，尾焰开始呈现不对称燃烧状态。发射T+00:02:20后，箭体异常旋转加快。经过3.5次圈翻滚后，2台飞行终止系统（超重B7和星舰S24各一台）发出了自毁指令，火箭最终在T+00:03:59s发生爆炸，所幸发射台未受影响。SpaceX随后承认，在上升过程中发动机发生故障，并且一二级未能在飞行终止之前按设计分离。

2.3 发射分析

（一）动力系统可靠性有待提高

关于此次试飞爆炸有很多猜想，有一种将失败归因于“超重-星舰”采用的类似苏联N-1火箭一级的多发动机并联技术。如果仅仅是多发动机并联，而不具备冗余重构能力，或者允许的故障发动机数量少，那么整机可靠性将随并联数量快速下降，而且多机并联会引起更恶劣的振动和热环境。N-1火箭的故障冗余能力较为有限，仅允许两对对称布局的发动机出现故障，而且发动机之间的爆炸故障不能隔离，单台爆炸后几乎无法继续飞行。而“超重-星舰”首飞中出现故障的6台发动机位置相对随机，仍能继续飞行，无论是允许的故障发动机数量，还是允许故障发动机的位置，相比N-1都有巨大的提升。尽管如此，“超重-星舰”还是因为发动机故障导致飞行剖面与计划剖面产生很大差异。

此次飞行过程中多台猛禽发动机失效，起飞时3台，随后逐渐增加，最多时达到6台(也有说法为8台)，动力系统连续出现异常现象，包括异常闪光、爆燃、喷流异常、推力丧失等情况。在此次发射前，SpaceX对发动机进行的最后一次联合静点火试车中也发生过类似现象，当时一级33台发动机只点燃了31台，在故障排除后，未再组织联合静点火试车，没有对故障排除逻辑进行验证，在此情况下，SpaceX就推进了飞行试验。

超重助推级的发动机异常情况

（二）地面设施保护不到位

超重-星舰系统采用无导流槽发射，通过25m高的发射台来避免发射时高速射流可能带来的破坏。马斯克称，基于工程进度原因以及对前期静态点火结果的分析，决定本次发射发射台不加装喷水降噪系统。

结果超重-星舰起飞时喷射的高速射流直接破坏了发射台台底的水泥基座，部分石块甚至飞到几百米外的海面上，而飞起的碎片也使得发射台附近的燃料罐、吊车和转播车甚至星舰飞船的部分隔热瓦等受到不同程度的破坏。推测超重助推的发动机异常也与飞溅的碎片有一定关系。

损坏的燃料罐

严重受损的发射台地基

三、星舰第二次发射（2023年11月18日，超重B9+星舰S25）

超重-星舰第二次综合飞行试验于美国中部时间2023年11月18日7:03执行。虽然超重助推级在分离后“快速计划外解体”（炸了），星舰飞船级未能按预定飞行方案入轨而触发自主飞行中止系统（俗称自爆），飞行试验以失败告终，但SpaceX公司仍达成多个重要目标，包括：飞行中一级33台发动机全程持续工作，未出现故障关机情况；超重助推级和星舰飞船级的热分离方案取得成功；飞船6台发动机实现长程点火工作。

3.1 首次发射后的改进措施

2023年4月20日，SpaceX在星城基地对超重-星舰进行了首次轨道试飞。火箭起飞时，3台发动机未能点火；起飞后，又有多台发动机出现工作异常，轨迹严重偏离飞行剖面；在飞行约4min火箭发生爆炸解体。

经过为期四个半月的调查，美国联邦航空管理局（FAA）确定了发射失利的“多个根本原因”，要求SpaceX公司必须采取63项整改措施。随后，SpaceX官方公布造成超重-星舰首次试飞失利的原因是超重助推级尾部发生推进剂泄漏，并引发了火灾，导致了与助推级多台发动机的通信中断，并最终导致了火箭失控。

SpaceX公司根据首次综合试验中得到的试验数据，以及FAA提出的改进意见，对超重-星舰和地面设施进行了大量的升级改进。

1.级间分离更改为热分离技术

超重-星舰原来依靠旋转抛洒的冷分离方案，在超重助推级主发动机关机前，喷管摆动，使超重-星舰运输系统绕俯仰轴旋转，然后超重助推级主发动机关机，解除级间连接。依据角动量守恒原理，解除连接后的星舰与超重助推级将以不同的角速度绕各自质心旋转。超重助推级的角速度明显大于星舰的角速度，从而实现分离。分离后超重助推级还能够顺势进行翻转，调整姿态，为返回再入做好准备。不过，上述方式在超重-星舰首次飞行试验验证中遭遇失利，因此，SpaceX放弃了上述方式，改用了热分离方案。

“热分离技术”是指在星舰飞船级与超重助推级分离前，星舰飞船级发动机就点火，之后，星舰飞船级与超重助推级再解除级间连接，星舰飞船级发动机尾流可以推动超重助推级顶部达成级间分离。热分离期间，超重助推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在超重B9助推级顶部安装了新的热分离环。超重-星舰的总高度也因此增加至约121m（此前为120m），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。热分离环主要由侧面通风口和不锈钢底部组成，其底部经过加固，以承受热分离期间猛禽发动机在其上方点火所产生的力热载荷。

热分离环（左）与加装了热分离环的超重助推

针对在首次验证飞行中，超重-星舰在飞行失控后其自毁系统未能第一时间启动的问题，SpaceX增强了自毁系统，以提高系统可靠性。媒体认为这项改进的实质就是——增加爆破点，并加大炸药量。

2.改用电动推力矢量控制（TVC）系统

首飞的B7助推级上，控制内圈13台发动机采用液压驱动的TVC，需要配备液压动力装置；而本次飞行试验的B9助推级则采用电动TVC，取消了液压动力装置，系统大幅简化，比原来的液压系统更可靠、更节能。马斯克称，这项改变将减少大约1t以上的结构质量。

使用液压动力装置的B7（左）对比使用电动TVC的B9（右）

3.提高发动机热防护性能

在首次飞行试验中，3台发动机在起飞时未能启动，2台在飞行过程中关闭，另1台则忽明忽暗。SpaceX表示故障主要原因在于超重助推级发动机舱的动力系统故障。为了解决上述问题，SpaceX的改进措施集中在发动机热防护、防火性能和发动机关机逻辑等方面。从B9助推级操作现场的照片来看，这次发动机舱所有线束都被包裹，喷涂的黑色涂料可能是防火涂料，或者是类似聚脲的强化涂料。此外，在猛禽发动机可靠性改进方面，有3个长期改进项，集中在液氧阀门设计、阀门密封结构、歧管设计方面，因此推测在首次发射中猛禽发动机的液氧阀门或存在泄漏。

增加发动机热防护

4.采取助推级泄漏缓解措施

针对超重-星舰首飞过程中出现的推进剂泄漏燃烧问题，SpaceX为超重助推级采取了“泄漏缓解措施”，同时在助推级发动机舱中增加了灭火系统，灭火能力提高15倍。

5.其他箭体改进

（1）助推器“脊骨”。与B7助推级的脊骨相比，B9助推级的脊骨明显更宽、更长，内部安装了更大更长的高压气瓶，据推测这是为了提高发动机舱的防火能力。

（2）推力圆盘。SpaceX对B9助推级的推力圆盘设计进行了优化，增加了铣削的部分来进一步减重。

（3）栅格舵。在栅格舵外表面上增加了额外的加固板，有可能是为了增加栅格舵的抗翘曲强度。

B7助推级“脊骨”（左）与B9助推级“脊骨”（右）对比图

B7助推级推力圆盘（上）与B9助推级推力圆盘（下）对比图

B9助推级栅格舵

7.增加发射台喷水降噪系统

在首飞试验中，发射台遭到破坏，扬起的灰尘和沙石造成了不利影响，这也导致星舰的第二次试飞资格认证在环境审查环节被美国鱼类和野生动物管理局（FWS）严加审核。为此，SpaceX对发射台进行了升级，在发射架下安装了水冷钢板系统，该系统能够在助推级点火时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声，避免对混凝土和钢结构造成破坏。该系统运行需要约1366.5t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。

超重-星舰发射台的喷水降噪系统

B9助推级（左）、B7助推级（右）静态点火试车画面对比

8.储罐区扩建

SpaceX对在首飞中受损的储罐外壁进行修复和加固，并对储罐区进行了扩建，在甲烷储罐旁边的空地上增加了新的地基，便于后续增加更多的卧式储罐。卧式储罐将采用现成的商用储罐，与垂直储罐相比更容易屏蔽和维护。

发射场储罐区扩建示意图

3.2 实验目标

第二次综合飞行试验旨在全面收集火箭、发动机、计算机和地面系统性能等方面数据，试验结果将用于设计模型的改进。超重-星舰计划从得克萨斯州的星城基地发射升空，然后绕地球进行部分轨道飞行。超重助推级将在墨西哥湾进行水上着陆。随后，星舰飞船将再入大气层，并在夏威夷附近的太平洋进行水上着陆。

试验的重点集中在超重助推级的飞行上，试验中对新的级间热分离技术的验证是最具挑战的环节。马斯克曾预测本次飞行试验的成功率大概是60%。

3.3 发射流程

表3 超重-星舰第二次试飞试验时序

本次发射采用B9超重助推级和S25星舰飞船级，原计划于11月17日发射，但由于需要更换栅格舵的执行器组件而推迟了24h。

11月18日，第一次发射倒计时在T-40秒时暂停，导致此次暂停的原因是“星舰飞船级增压滞后”。约2min后发射倒计时继续读秒，最终在美国中部时间11月18日7:03（北京时间11月18日21:03），B9助推级+S25飞船级组合体从位于博卡奇卡星基地的轨道发射台-1（OLP-1）顺利起飞升空。现场产生大量白色蒸汽，远景视角没有出现混凝土颗粒掉落，水冷系统工作正常，在水冷钢板的保护下，初步判断防火水泥没有出现大面积解体情况。

直播画面显示，起飞后上升段飞行正常，超重助推级33台猛禽发动机全部点火，并持续工作，未出现发动机故障关机的情况。

33台发动机全部点亮

起飞2分39秒后，火箭按照计划执行一级大部分发动机关机，关机顺序与点火顺序完全相反，最外圈20台先关对称角度的5台，再对称关五台，再全部关闭外圈发动机，中间圈10台在2分40秒关机，起飞2分43秒后，超重助推级外围30台发动机关机，仅剩余中心3台发动机工作；同时，星舰飞船级发动机点火启动。随后，起飞后2分48秒左右，超重助推级和星舰飞船级之间的连接解锁，成功实现了热分离；同时，超重助推级中圈10台发动机中的9台启动、中心1台发动机关机，并向一侧摆动，实现姿态翻转。分离过程中，飞行高度约70km，速度约1.56km/s。

起飞3分20秒后，超重助推级所有发动机故障关机，并出现快速计划外解体（RUD），俗称炸了，FAA确认FTS（安全自毁装置）启动。之后，星舰飞船级继续飞行，在起飞约3分40秒后，星舰丢失信号，当时可能已经触发自毁系统。根据SpaceX直播画面，星舰飞船级的最大高度148km，速度6.7km/s。据推算，星舰的轨道为－1740km×150km，返回再入可能会撞击特克斯和凯科斯群岛的东北部，因此触发飞行中止系统自毁。二级原计划进入148公里的圆轨道，并且达到第一宇宙速度2.84万公里每小时，经大气减速后再入夏威夷海域，实际飞行已经到达148公里高度并且保持。

二级飞行轨迹

3.4 发射分析

本次试飞的重点和难点主要集中在对助推级和热分离等技术的验证上。在这次飞行中超重助推级33台猛禽发动机全部点燃，并持续工作，热分离成功，星舰飞船级6台发动机也实现点火，发射台经受住了起飞力热环境考验，这些表现与其首飞相比有显著提高，证明了首飞后改进措施的有效性。此次试验目标部分达成，标志着超重-星舰项目再一次取得重要突破，持续快速迭代。

然而此次试飞也暴露了一些问题，比如二级在一级飞行过程中，不断有大量隔热瓦掉落，表明在飞行期间，焊缝处发生了较大的结构变形，隔热瓦无法适应该处变形并破坏掉落；一级二次启动的时间与箭体翻转时间过于接近，对管路产生了恶劣影响，二次启动的难度提高，存在部分发动机启动失败和管路泄露，在密集的发动机布局情况下，极易引发连锁反应，并导致了剩余发动机陆续发生故障关闭。