星艦全五次發射的分析與總結（上）

首先聲明：個人不認同將spacex與中國航天進行比較優劣，甚至上升到體制制度優劣的看法，中國航天的發展基礎，任務目標和spacex都完全不同，兩者不在一個層級上，不具備可比性。拿spacex在火箭製造上的成就來攻擊中國航天就像拿保時捷919 Hybrid的紐北成績來攻擊整個中國乘用車產業一樣荒誕。中國航天的嫦娥6號在今年實現了從月球背面取樣返回，這同樣是人類史無前例的壯舉，是探索科學未知邊界的偉大貢獻。作爲航天愛好者，中美航天事業的發展讓我想起上世紀美蘇爭霸期間兩國爭相攀登航天科技高峯的偉業，伴隨誕生的科技成就至今仍惠及大部分人類。Spacex作爲當今新興航天勢力的代表，我們需要總結和學習它的長處，研究它如何快速的開發技術和改進缺陷，並用它的經驗來發展自己，但不必因爲它妄自菲薄。

北京時間10月13日晚8:25，SpaceX在美國得克薩斯州的星港（Starbase）發射場利用超重助推B12和星艦飛船S30原型機進行了第五次綜合飛行測試（IFT-4）。星艦成功進行了級間分離和熱分離環分離，一級成功實現了通過“筷子”機械臂進行原位回收，二級成功實現海上受控濺落。至此星艦在發射上已基本成熟，火箭發射原位回收的全流程理論可行性已完成驗證，距離實現全箭原位回收僅一步之遙。

第五次發射實拍

本文旨在對星艦全五次發射做一個階段性的總結，分析星艦在這五次發射中的實驗目標，完成情況和每次發射的改進之處。本文參考和引用了中國航天雜誌、中國宇航學會、星際榮耀空間科技股份有限公司公衆號、航天愛好者公衆號、集風齋公衆號、三體引力波公衆號和大航躍遷公衆號的《“超重-星艦”首次入軌飛行測試及經驗教訓分析》《SpaceX公司超重-星艦組合體首飛異常情況初步分析》《超重-星艦第二次綜合飛行試驗情況分析》《整改7個月再試飛，馬斯克的大火箭又炸了！但比上回成功點？》《星艦第二次軌道級飛行情況分析》《SpaceX“超重-星艦”第三次綜合飛行試驗情況簡析》《淺析星艦第三次飛行測試（IFT-3）》《“超重-星艦”第四次綜合飛行測試情況簡析》《淺析星艦第四次飛行測試（IFT-4）》《星艦第四飛：最成功的試飛》《“超重-星艦”成功執行第五次綜合飛行試驗，首次實現一級回收》《星艦第五飛：首戰告捷原位捕獲超重型》《星艦第五次飛行分析討論》等文章，以及b站up主ASPT-航天科普小組和熹天取經的部分視頻中的大量內容。有想深入瞭解的朋友可以去看這些公衆號和up主。我之前也寫過一篇介紹星艦計劃發展沿革的文章，有興趣的朋友可以去看一下：星艦的過去，當下，以及未來。

觀前提醒：本文約19900字，閱讀需要約25分鐘，將分爲上下兩個部分發布。

一，星艦技術方案介紹：

首先，我們對星艦的整體技術方案做一個簡要的介紹作爲背景。

超重助推-星艦飛船（下文簡稱“超重-星艦”）採用兩級構型方案，由超重助推級（Super Heavy Booster）和星艦飛船（Starship）組成，它的設計目標是成爲兩級完全可重複使用的航天運載器，也就是火箭的一級二級都可完全回收，這與獵鷹9火箭和重型獵鷹火箭的僅一級可回收，二級整流罩可回收不同。

表1 “超重-星艦”主要參數

星艦總體方案示意圖

星艦一級猛禽發動機的排布方式

星艦相比於其他火箭的特別之處如下：

1）以全複用火箭實現入軌成本大幅降低；

Spacex的目標是實現像飛機一樣的航天器，能夠完全重複使用，這樣每次發射的成本將只包含推進劑成本和地面複用維護成本。簡單以燃料成本計算，SpaceX全複用的星艦近地軌道運輸最終目標成本爲每公斤10美元，而航天飛機的成本爲每公斤5.45萬美元，兩者之間有數千倍的差距。即使是和已經改變行業規則的獵鷹9號的報價每公斤5000美元相比，也有兩到三個數量級的差距。

2）以不鏽鋼作爲箭體材料以及模塊化隔熱瓦作爲防熱方案；

SpaceX曾經考慮以碳纖維作爲箭體材料，然而碳纖維成本高昂，成本接近每公斤200美元，而不鏽鋼每公斤只需3美元。同時不鏽鋼與碳複合材料相比，需要的熱防護措施較少，減少了所需隔熱瓦的厚度和重量，從而彌補了鋼材具有更高質量的這一缺點。在迎風面，SpaceX採用更加傳統和成熟的隔熱瓦進行隔熱，通過完全相同的六邊形隔熱瓦的大規模生產和可替換性降低了生產和維護成本。

3）通過二級水平再入與機械臂空中鎖定回收至發射場的技術路線

星艦一級在完成助推任務進行級間分離後，將掉頭飛回發射場，並進行翻轉機動，最終以垂直姿態降落，在接近地面時重啓發動機進行反推，最終懸停並使用“筷子”機械臂進行回收。而星艦二級選擇的是一種新穎獨特的火箭着陸方式。它先是以腹部朝下的姿態降落，在自由落體的過程中張開兩對尾翼進行氣動減速。在大約500米的高度，它將啓動兩個猛禽發動機，將其完全傾斜，並摺疊後尾翼，從水平方向擺動到垂直方向，這樣星艦就可以尾部向下降落，並在到達地面時進入垂直懸停狀態。通過火箭的兩級自主返回發射場，spacex將能節省掉火箭從回收地點轉運至發射地點的時間，實現火箭的快速複用，這也是與獵鷹9號和獵鷹重型技術方案的區別之一。獵鷹9號火箭在發射大質量載荷後，一級還需要從海上回收，再慢慢轉運回發射場。

星艦二級摺疊尾翼下落

星艦二級擺尾準備着陸

“筷子”系統的工作原理

二，星艦首次試飛（2023年4月20日，超重B7+星艦S24）

SpaceX將這次飛行稱爲“首次全面綜合飛行測試”，是對“超重-星艦”的性能及地面發射支持能力的一次全面的驗證，雖然火箭在起飛後約4min意外解體，但仍然取得了一定突破，“超重-星艦”全箭飛離發射臺並達到39km最大高度。

2.1 實驗目標

首次試飛目的是全面收集火箭、發動機、計算機和地面系統性能等方面數據，測試結果將用於設計模型改進。SpaceX認爲，此次試驗的成功與否並不以入軌爲標準，而是通過在試驗中取得的經驗來衡量，這些經驗將爲快速推進“超重-星艦”的研發奠定基礎。

2.2 發射流程

表2 “超重-星艦”原型機軌道飛行試驗時序

首次試飛飛行剖面

此次發射原計劃在4月17日進行，但在發射前不到10min宣佈因助推器增壓系統問題取消發射。馬斯克稱“一個加壓閥似乎被凍結了”。在宣佈取消發射後，SpaceX公司繼續推進發射倒計時相關流程，直至T-00:00:40完成推進劑加註，目的是進行射前合練（WDR）。

3天后，“超重-星艦”終於迎來了正式的飛行測試。在T-00:00:40倒計時短暫中止，在解決完火箭推進劑貯箱增壓問題後，又重置發射倒計時，最終在北京時間4月21日21:33，“超重B7+星艦S24”組合體從博卡奇卡的星基地軌道發射臺-1（OLP-1）起飛。

起飛後直播畫面顯示，火箭一級33臺猛禽中3臺沒有點火（2臺位於外環，1臺位於中心部分），30臺持續發力。T+00:00:40，飛行高度達2km，第4臺猛禽發動機失效。T+00:01:01，飛行高度達5km之際，第5臺發動機失效。按照原計劃，本應在T+00:00:55達到最大動壓（Qmax），但星艦此時飛行速度和高度都達不到最大動壓條件。直到T+00:01:18，箭體才通過Qmax。在T+00:01:40，飛行高度達14km，第6臺發動機失效。T+00:01:51，飛行高度達17km，剛剛熄火的第6臺發動機再次點火。

但隨後一級開始排出大量白色氣體，尾焰開始呈現不對稱燃燒狀態。發射T+00:02:20後，箭體異常旋轉加快。經過3.5次圈翻滾後，2臺飛行終止系統（超重B7和星艦S24各一臺）發出了自毀指令，火箭最終在T+00:03:59s發生爆炸，所幸發射臺未受影響。SpaceX隨後承認，在上升過程中發動機發生故障，並且一二級未能在飛行終止之前按設計分離。

2.3 發射分析

（一）動力系統可靠性有待提高

關於此次試飛爆炸有很多猜想，有一種將失敗歸因於“超重-星艦”採用的類似蘇聯N-1火箭一級的多發動機並聯技術。如果僅僅是多發動機並聯，而不具備冗餘重構能力，或者允許的故障發動機數量少，那麼整機可靠性將隨並聯數量快速下降，而且多機並聯會引起更惡劣的振動和熱環境。N-1火箭的故障冗餘能力較爲有限，僅允許兩對對稱佈局的發動機出現故障，而且發動機之間的爆炸故障不能隔離，單臺爆炸後幾乎無法繼續飛行。而“超重-星艦”首飛中出現故障的6臺發動機位置相對隨機，仍能繼續飛行，無論是允許的故障發動機數量，還是允許故障發動機的位置，相比N-1都有巨大的提升。儘管如此，“超重-星艦”還是因爲發動機故障導致飛行剖面與計劃剖面產生很大差異。

此次飛行過程中多臺猛禽發動機失效，起飛時3臺，隨後逐漸增加，最多時達到6臺(也有說法爲8臺)，動力系統連續出現異常現象，包括異常閃光、爆燃、噴流異常、推力喪失等情況。在此次發射前，SpaceX對發動機進行的最後一次聯合靜點火試車中也發生過類似現象，當時一級33臺發動機只點燃了31臺，在故障排除後，未再組織聯合靜點火試車，沒有對故障排除邏輯進行驗證，在此情況下，SpaceX就推進了飛行試驗。

超重助推級的發動機異常情況

（二）地面設施保護不到位

超重-星艦系統採用無導流槽發射，通過25m高的發射臺來避免發射時高速射流可能帶來的破壞。馬斯克稱，基於工程進度原因以及對前期靜態點火結果的分析，決定本次發射發射臺不加裝噴水降噪系統。

結果超重-星艦起飛時噴射的高速射流直接破壞了發射臺臺底的水泥基座，部分石塊甚至飛到幾百米外的海面上，而飛起的碎片也使得發射臺附近的燃料罐、吊車和轉播車甚至星艦飛船的部分隔熱瓦等受到不同程度的破壞。推測超重助推的發動機異常也與飛濺的碎片有一定關係。

損壞的燃料罐

嚴重受損的發射臺地基

三、星艦第二次發射（2023年11月18日，超重B9+星艦S25）

超重-星艦第二次綜合飛行試驗於美國中部時間2023年11月18日7:03執行。雖然超重助推級在分離後“快速計劃外解體”（炸了），星艦飛船級未能按預定飛行方案入軌而觸發自主飛行中止系統（俗稱自爆），飛行試驗以失敗告終，但SpaceX公司仍達成多個重要目標，包括：飛行中一級33臺發動機全程持續工作，未出現故障關機情況；超重助推級和星艦飛船級的熱分離方案取得成功；飛船6臺發動機實現長程點火工作。

3.1 首次發射後的改進措施

2023年4月20日，SpaceX在星城基地對超重-星艦進行了首次軌道試飛。火箭起飛時，3臺發動機未能點火；起飛後，又有多臺發動機出現工作異常，軌跡嚴重偏離飛行剖面；在飛行約4min火箭發生爆炸解體。

經過爲期四個半月的調查，美國聯邦航空管理局（FAA）確定了發射失利的“多個根本原因”，要求SpaceX公司必須採取63項整改措施。隨後，SpaceX官方公佈造成超重-星艦首次試飛失利的原因是超重助推級尾部發生推進劑泄漏，並引發了火災，導致了與助推級多臺發動機的通信中斷，並最終導致了火箭失控。

SpaceX公司根據首次綜合試驗中得到的試驗數據，以及FAA提出的改進意見，對超重-星艦和地面設施進行了大量的升級改進。

1.級間分離更改爲熱分離技術

超重-星艦原來依靠旋轉拋灑的冷分離方案，在超重助推級主發動機關機前，噴管擺動，使超重-星艦運輸系統繞俯仰軸旋轉，然後超重助推級主發動機關機，解除級間連接。依據角動量守恆原理，解除連接後的星艦與超重助推級將以不同的角速度繞各自質心旋轉。超重助推級的角速度明顯大於星艦的角速度，從而實現分離。分離後超重助推級還能夠順勢進行翻轉，調整姿態，爲返回再入做好準備。不過，上述方式在超重-星艦首次飛行試驗驗證中遭遇失利，因此，SpaceX放棄了上述方式，改用了熱分離方案。

“熱分離技術”是指在星艦飛船級與超重助推級分離前，星艦飛船級發動機就點火，之後，星艦飛船級與超重助推級再解除級間連接，星艦飛船級發動機尾流可以推動超重助推級頂部達成級間分離。熱分離期間，超重助推級仍有部分發動機保持點火工作，並處於節流狀態。

爲實現熱分離，SpaceX在超重B9助推級頂部安裝了新的熱分離環。超重-星艦的總高度也因此增加至約121m（此前爲120m），該部段有兩個作用：一是將廢氣向外引流，二是爲超重助推級頂部提供防護。熱分離環主要由側面通風口和不鏽鋼底部組成，其底部經過加固，以承受熱分離期間猛禽發動機在其上方點火所產生的力熱載荷。

熱分離環（左）與加裝了熱分離環的超重助推

針對在首次驗證飛行中，超重-星艦在飛行失控後其自毀系統未能第一時間啓動的問題，SpaceX增強了自毀系統，以提高系統可靠性。媒體認爲這項改進的實質就是——增加爆破點，並加大炸藥量。

2.改用電動推力矢量控制（TVC）系統

首飛的B7助推級上，控制內圈13臺發動機採用液壓驅動的TVC，需要配備液壓動力裝置；而本次飛行試驗的B9助推級則採用電動TVC，取消了液壓動力裝置，系統大幅簡化，比原來的液壓系統更可靠、更節能。馬斯克稱，這項改變將減少大約1t以上的結構質量。

使用液壓動力裝置的B7（左）對比使用電動TVC的B9（右）

3.提高發動機熱防護性能

在首次飛行試驗中，3臺發動機在起飛時未能啓動，2臺在飛行過程中關閉，另1臺則忽明忽暗。SpaceX表示故障主要原因在於超重助推級發動機艙的動力系統故障。爲了解決上述問題，SpaceX的改進措施集中在發動機熱防護、防火性能和發動機關機邏輯等方面。從B9助推級操作現場的照片來看，這次發動機艙所有線束都被包裹，噴塗的黑色塗料可能是防火塗料，或者是類似聚脲的強化塗料。此外，在猛禽發動機可靠性改進方面，有3個長期改進項，集中在液氧閥門設計、閥門密封結構、歧管設計方面，因此推測在首次發射中猛禽發動機的液氧閥門或存在泄漏。

增加發動機熱防護

4.採取助推級泄漏緩解措施

針對超重-星艦首飛過程中出現的推進劑泄漏燃燒問題，SpaceX爲超重助推級採取了“泄漏緩解措施”，同時在助推級發動機艙中增加了滅火系統，滅火能力提高15倍。

5.其他箭體改進

（1）助推器“脊骨”。與B7助推級的脊骨相比，B9助推級的脊骨明顯更寬、更長，內部安裝了更大更長的高壓氣瓶，據推測這是爲了提高發動機艙的防火能力。

（2）推力圓盤。SpaceX對B9助推級的推力圓盤設計進行了優化，增加了銑削的部分來進一步減重。

（3）柵格舵。在柵格舵外表面上增加了額外的加固板，有可能是爲了增加柵格舵的抗翹曲強度。

B7助推級“脊骨”（左）與B9助推級“脊骨”（右）對比圖

B7助推級推力圓盤（上）與B9助推級推力圓盤（下）對比圖

B9助推級柵格舵

7.增加發射臺噴水降噪系統

在首飛試驗中，發射臺遭到破壞，揚起的灰塵和沙石造成了不利影響，這也導致星艦的第二次試飛資格認證在環境審查環節被美國魚類和野生動物管理局（FWS）嚴加審覈。爲此，SpaceX對發射臺進行了升級，在發射架下安裝了水冷鋼板系統，該系統能夠在助推級點火時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聲，避免對混凝土和鋼結構造成破壞。該系統運行需要約1366.5t水，每次運行後，廢水將通過集水系統回收至儲水罐。此外，SpaceX還對發射臺區域雨水進行收集，用於進一步補充儲水罐。

超重-星艦發射臺的噴水降噪系統

B9助推級（左）、B7助推級（右）靜態點火試車畫面對比

8.儲罐區擴建

SpaceX對在首飛中受損的儲罐外壁進行修復和加固，並對儲罐區進行了擴建，在甲烷儲罐旁邊的空地上增加了新的地基，便於後續增加更多的臥式儲罐。臥式儲罐將採用現成的商用儲罐，與垂直儲罐相比更容易屏蔽和維護。

發射場儲罐區擴建示意圖

3.2 實驗目標

第二次綜合飛行試驗旨在全面收集火箭、發動機、計算機和地面系統性能等方面數據，試驗結果將用於設計模型的改進。超重-星艦計劃從得克薩斯州的星城基地發射升空，然後繞地球進行部分軌道飛行。超重助推級將在墨西哥灣進行水上着陸。隨後，星艦飛船將再入大氣層，並在夏威夷附近的太平洋進行水上着陸。

試驗的重點集中在超重助推級的飛行上，試驗中對新的級間熱分離技術的驗證是最具挑戰的環節。馬斯克曾預測本次飛行試驗的成功率大概是60%。

3.3 發射流程

表3 超重-星艦第二次試飛試驗時序

本次發射採用B9超重助推級和S25星艦飛船級，原計劃於11月17日發射，但由於需要更換柵格舵的執行器組件而推遲了24h。

11月18日，第一次發射倒計時在T-40秒時暫停，導致此次暫停的原因是“星艦飛船級增壓滯後”。約2min後發射倒計時繼續讀秒，最終在美國中部時間11月18日7:03（北京時間11月18日21:03），B9助推級+S25飛船級組合體從位於博卡奇卡星基地的軌道發射臺-1（OLP-1）順利起飛昇空。現場產生大量白色蒸汽，遠景視角沒有出現混凝土顆粒掉落，水冷系統工作正常，在水冷鋼板的保護下，初步判斷防火水泥沒有出現大面積解體情況。

直播畫面顯示，起飛後上升段飛行正常，超重助推級33臺猛禽發動機全部點火，並持續工作，未出現發動機故障關機的情況。

33臺發動機全部點亮

起飛2分39秒後，火箭按照計劃執行一級大部分發動機關機，關機順序與點火順序完全相反，最外圈20臺先關對稱角度的5臺，再對稱關五臺，再全部關閉外圈發動機，中間圈10臺在2分40秒關機，起飛2分43秒後，超重助推級外圍30臺發動機關機，僅剩餘中心3臺發動機工作；同時，星艦飛船級發動機點火啓動。隨後，起飛後2分48秒左右，超重助推級和星艦飛船級之間的連接解鎖，成功實現了熱分離；同時，超重助推級中圈10臺發動機中的9臺啓動、中心1臺發動機關機，並向一側擺動，實現姿態翻轉。分離過程中，飛行高度約70km，速度約1.56km/s。

起飛3分20秒後，超重助推級所有發動機故障關機，並出現快速計劃外解體（RUD），俗稱炸了，FAA確認FTS（安全自毀裝置）啓動。之後，星艦飛船級繼續飛行，在起飛約3分40秒後，星艦丟失信號，當時可能已經觸發自毀系統。根據SpaceX直播畫面，星艦飛船級的最大高度148km，速度6.7km/s。據推算，星艦的軌道爲－1740km×150km，返回再入可能會撞擊特克斯和凱科斯羣島的東北部，因此觸發飛行中止系統自毀。二級原計劃進入148公里的圓軌道，並且達到第一宇宙速度2.84萬公里每小時，經大氣減速後再入夏威夷海域，實際飛行已經到達148公里高度並且保持。

二級飛行軌跡

3.4 發射分析

本次試飛的重點和難點主要集中在對助推級和熱分離等技術的驗證上。在這次飛行中超重助推級33臺猛禽發動機全部點燃，並持續工作，熱分離成功，星艦飛船級6臺發動機也實現點火，發射臺經受住了起飛力熱環境考驗，這些表現與其首飛相比有顯著提高，證明了首飛後改進措施的有效性。此次試驗目標部分達成，標誌着超重-星艦項目再一次取得重要突破，持續快速迭代。

然而此次試飛也暴露了一些問題，比如二級在一級飛行過程中，不斷有大量隔熱瓦掉落，表明在飛行期間，焊縫處發生了較大的結構變形，隔熱瓦無法適應該處變形並破壞掉落；一級二次啓動的時間與箭體翻轉時間過於接近，對管路產生了惡劣影響，二次啓動的難度提高，存在部分發動機啓動失敗和管路泄露，在密集的發動機佈局情況下，極易引發連鎖反應，並導致了剩餘發動機陸續發生故障關閉。