龍雪丹1 楊開1 王林1 褚洪杰2（1.北京航天長征科技信息研究所；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司）2025年3月6日（北京時(shí)間3月7日），SpaceX實(shí)施了超重-星艦的第八次綜合飛行測試（IFT-8）。本次試驗(yàn)是二代星艦飛船級(jí)的第二次試飛，距離上一次飛行（IFT-7）僅49天。試飛中實(shí)現(xiàn)助推級(jí)的“筷子”回收，但飛船級(jí)失去姿控最終爆炸。故障情況與上一次試飛高度相似。

圖1 超重-星艦二級(jí)損毀后再入

一、試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

本次試飛箭由超重B155（一級(jí)）和星艦S34（二級(jí)）組成。目標(biāo)飛行軌跡與上一次基本相同，對(duì)一級(jí)實(shí)施捕獲，二級(jí)則在印度洋濺落，并將針對(duì)上一次測試中未達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行再一次的嘗試。具體包括：

• “筷子”捕獲：再一次嘗試超重助推級(jí)的發(fā)射、返回和捕獲；
• 驗(yàn)證飛船級(jí)熱防護(hù)系統(tǒng)：SpaceX專門從飛船級(jí)上取下了一些隔熱瓦，并將在再入過程中有意地對(duì)襟翼施加壓力，以測試飛船級(jí)的極限；
• 有效載荷部署：星艦飛船級(jí)在亞軌道釋放4個(gè)與下一代“星鏈”衛(wèi)星尺寸一致的模擬器（IFT-7原計(jì)劃部署10個(gè)星鏈模擬器），測試艙門開合機(jī)制和衛(wèi)星投放流程。這些模擬器預(yù)計(jì)在再入大氣層時(shí)燒毀；
• 在軌發(fā)動(dòng)機(jī)重啟：在軌重新點(diǎn)燃星艦飛船級(jí)配備的6臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)；
• 在軌推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移：驗(yàn)證微重力環(huán)境下液氧/甲烷推進(jìn)劑的傳輸技術(shù)，為月球軌道燃料補(bǔ)給提供數(shù)據(jù)支持。

表1 超重-星艦IFT-8飛行時(shí)序

圖2 超重-星艦IFT-8計(jì)劃飛行剖面圖

圖3 IFT-7和IFT-8航空警報(bào)區(qū)域?qū)Ρ?br/>從航空警報(bào)區(qū)域看，此次飛行比上一次警報(bào)區(qū)域大。

二、試飛情況

2.1 首次嘗試因故障推遲
美國中部時(shí)間2025年3月3日下午5:45（北京時(shí)間3月4日上午7:45），SpaceX進(jìn)行了第一次嘗試，在倒計(jì)時(shí)40秒時(shí)暫停，經(jīng)過約7分鐘的檢查和評(píng)估后，短暫重啟倒計(jì)時(shí)，但很快又再次停止，并確定取消當(dāng)天的試飛計(jì)劃。SpaceX表示在倒計(jì)時(shí)期間超重助推級(jí)和星艦飛船級(jí)相繼出現(xiàn)了問題。馬斯克在X上表示：“發(fā)動(dòng)機(jī)地面旋啟時(shí)壓力比正常值低了2兆帕?！?br/>通常，超重-星艦在約T-2分50秒完成推進(jìn)劑加注后與地面設(shè)施斷開連接，在接下來的幾分鐘內(nèi)，制導(dǎo)系統(tǒng)將執(zhí)行最終對(duì)準(zhǔn)，自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS）啟動(dòng)，推力矢量控制（TVC）進(jìn)行檢查。完成上述操作后時(shí)間來到約T-40秒，按照發(fā)射時(shí)序，發(fā)動(dòng)機(jī)地面旋啟系統(tǒng)（Spin Star System）啟動(dòng)，并達(dá)到飛行壓力，同時(shí)飛船級(jí)切換到箭上電源；之后，快速斷開臂（QD臂）解除鎖定，為T-0后的收回做準(zhǔn)備。SpaceX表示，即使通過了T-40秒，超重-星艦系統(tǒng)仍然有能力暫停發(fā)射倒計(jì)時(shí)，停留數(shù)分鐘以評(píng)估是否存在技術(shù)問題，如果存在技術(shù)問題并解決后，將倒計(jì)時(shí)循環(huán)回T-40秒，繼續(xù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)和發(fā)射。這是超重-星艦獨(dú)有的，獵鷹9不具備暫停發(fā)射倒計(jì)時(shí)的能力。
在3月7日發(fā)射直播中，SpaceX表示最終導(dǎo)致3月4日發(fā)射終止的原因是由于超重助推級(jí)外圈的2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面旋啟系統(tǒng)壓力低于設(shè)計(jì)的最低壓力。超重助推級(jí)的33臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)依靠高壓氣體啟動(dòng)，其中外圈的20臺(tái)采用地面存儲(chǔ)的高壓氣體。此外，3月4日超重助推級(jí)液氧液位問題也觸發(fā)了倒計(jì)時(shí)終止。經(jīng)過三天的調(diào)查整改，SpaceX工程師發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致倒計(jì)時(shí)暫停的問題中部分是由于地面保障設(shè)備（GSE）配置錯(cuò)誤造成的，隨后對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整。與此同時(shí)，SpaceX檢查了超重助推級(jí)上其他導(dǎo)致發(fā)射倒計(jì)時(shí)終止的問題，確認(rèn)火箭硬件健康；并針對(duì)飛船級(jí)上其他軟硬件突發(fā)問題，將星艦飛船級(jí)從超重助推級(jí)上拆卸下來，進(jìn)行了額外的檢查。
2.2 發(fā)射前組裝過程中的意外情況
在發(fā)射前一天，SpaceX開始對(duì)超重-星艦兩級(jí)進(jìn)行組裝，然而該過程也并不順利，發(fā)生了兩個(gè)意外情況。
一是，在星艦飛船級(jí)與超重助推級(jí)對(duì)齊的過程中，熱分離段頂部鎖扣組件的滑軌彈出、掉落，見圖4。

圖4 超重-星艦在安裝過程中掉落組件

圖5 熱分離段頂部鎖扣組件（黑色部件可能為滑軌）

熱分離段頂部有四個(gè)鎖扣組件，該組件是用于輔助星艦上面級(jí)與熱分離段對(duì)齊并鎖緊的機(jī)構(gòu)。SpaceX花了約2個(gè)小時(shí)解決了該故障。
第二個(gè)意外情況發(fā)生在用“筷子”提升飛船級(jí)時(shí)，“筷子”滑軌系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的卡頓，經(jīng)過大約一個(gè)小時(shí)的維修后，問題解除。

圖6 工程師們對(duì)滑軌進(jìn)行維修

2.3正式飛行
美國中部時(shí)間2025年3月6日下午5:30（北京時(shí)間3月7日上午7:30），第8枚超重-星艦試飛箭從博卡奇卡星基地1號(hào)軌道發(fā)射/集成塔起飛。
（1）上升段順利進(jìn)行

• 起飛后，一級(jí)33臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)全程正常工作；
• 起飛后約1分10秒，箭體通過最大動(dòng)壓（Max-Q）；
• 起飛后1分58秒，主持人表示聽到“一級(jí)捕獲”（Go for catch）指令；
• 起飛后2分35秒，一級(jí)按預(yù)定程序關(guān)閉30臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，只保留3臺(tái)中心發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作，此時(shí)高度約為58千米，速度為4527千米/小時(shí)；
• 起飛后約2分41秒，二級(jí)6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，一、二級(jí)熱分離，此時(shí)高度約為63千米，速度為4426千米/小時(shí)。

• 起飛后約2分45秒，一級(jí)與二級(jí)分離后，進(jìn)行姿態(tài)翻轉(zhuǎn)調(diào)整飛行方向，按程序應(yīng)重啟中圈10臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行返回點(diǎn)火（Boostback Burn），朝向博卡奇卡的發(fā)射場方向飛行，但其中2臺(tái)未能重啟。此時(shí)高度為64千米，速度為4438千米/小時(shí)；
• 起飛后約3分39秒，一級(jí)中圈8臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。此時(shí)高度為84千米，速度為1335千米/小時(shí)；
• 起飛后4分07秒，一級(jí)中心3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，此時(shí)高度87千米，速度1955千米/小時(shí)；
• 起飛后4分33秒，助推級(jí)排出多余液氧，以適應(yīng)著陸工況；
• 起飛后5分10秒，拋掉熱分離段，比原計(jì)劃飛行時(shí)序推遲約1分38秒；
• 起飛后約6分35秒，按程序本應(yīng)重啟中心3臺(tái)和中圈10臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行著陸點(diǎn)火（Landing Burn），但中圈1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仍未正常啟動(dòng)，此時(shí)高度約1～2千米，速度為895千米/小時(shí)；
• 起飛后約6分40秒，一級(jí)中圈9臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，僅保留中心3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，中圈10臺(tái)工作時(shí)長約7秒。此時(shí)高度小于1千米，速度為209千米/小時(shí)；
• 起飛約7分02秒，中心3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，一級(jí)被“筷子”接住，狀態(tài)良好。

• 二級(jí)點(diǎn)火啟動(dòng)后與一級(jí)分離，6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開始長時(shí)間工作，最初一切正常，直至8分05秒遙測數(shù)據(jù)顯示外圈1臺(tái)、中心3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)相繼快速異常關(guān)機(jī)，隨后飛船級(jí)開始不受控滾轉(zhuǎn)，遙測畫面數(shù)據(jù)顯示推進(jìn)劑快速減少，此時(shí)高度146千米，速度20215千米/小時(shí)；
• 起飛后9分09秒，第5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)異常關(guān)機(jī)；
• 起飛后9分27秒，最后一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)異常關(guān)機(jī)；此時(shí)數(shù)據(jù)顯示高度為134千米，速度20398千米/小時(shí)；隨后遙測信號(hào)丟失。

三、試飛箭改進(jìn)及難點(diǎn)

本次飛行試驗(yàn)采用了超重B15和星艦S34。超重B15為一代超重助推級(jí)，高71米，配備33臺(tái)二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)。于2024年6月至8月完成組裝，并于2024年12月開始測試，在此次試飛前，共完成2次低溫測試和1次靜點(diǎn)火試車。星艦S34為第二枚投入使用的二代星艦飛船級(jí)，高52米，配備6臺(tái)二代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括3臺(tái)真空版猛禽。于2024年11月完成組裝。2025年1月開始測試，共完成3次低溫測試和1次長程靜點(diǎn)火試車。
3.1 IFT-7后的改進(jìn)
基于從1月16日進(jìn)行的超重-星艦的第七次綜合飛行測試中采集的數(shù)據(jù)，SpaceX對(duì)超重-星艦系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，主要集中在兩方面。
（1）一級(jí)點(diǎn)火器系統(tǒng)升級(jí)以解決發(fā)動(dòng)機(jī)重啟問題
IFT-7試飛中，在一、二級(jí)熱分離后，一級(jí)按程序進(jìn)行返回點(diǎn)火（Boostback Burn）以調(diào)整飛行方向，本應(yīng)重啟的中圈10臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)中有一臺(tái)未能重啟。分析表明，故障是由于點(diǎn)火器系統(tǒng)功率過低，致使一臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)安全終止。SpaceX稱該問題通過升級(jí)點(diǎn)火器來解決。不過，從本次實(shí)際飛行情況看，又有2臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)未能重啟，不過并未影響超重助推級(jí)的捕獲回收。
（2）二級(jí)升級(jí)改進(jìn)以解決諧振問題
IFT-7試飛中，二級(jí)飛行段，6臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)按預(yù)期點(diǎn)火，但在點(diǎn)火工作約兩分鐘的時(shí)間內(nèi)，二級(jí)尾部真空發(fā)動(dòng)機(jī)附近觀察到閃光。該區(qū)域?yàn)榉浅袎嚎臻g，位于液氧箱底部與尾部防熱層之間，SpaceX稱之為“空腔”（attic）。傳感器檢測到閃光后壓力異常升高，顯示發(fā)生推進(jìn)劑泄漏。約兩分鐘后再次出現(xiàn)閃光，并起火持續(xù)燃燒，最終致使5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，通信在起飛8分20秒后中斷。二級(jí)解體發(fā)生在失聯(lián)約3分鐘的下降階段。分析表明，安全系統(tǒng)在失聯(lián)前已自主觸發(fā)，解體符合飛行終止系統(tǒng)預(yù)期。事故最可能的根本原因是飛行中出現(xiàn)的諧振響應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)超預(yù)期，致使推進(jìn)系統(tǒng)硬件承受過載壓力，隨后推進(jìn)劑泄漏超出“空腔”區(qū)域排氣能力，進(jìn)而引發(fā)起火和持續(xù)燃燒。作為調(diào)查的一部分，星艦在IFT-8前完成了持續(xù)60秒的靜點(diǎn)火試車，驗(yàn)證了不同推力級(jí)別和三種真空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑輸送管路配置，旨在復(fù)現(xiàn)并解決IFT-7飛行中的諧振問題。SpaceX根據(jù)測試結(jié)果，對(duì)推進(jìn)劑輸送管路、推進(jìn)劑溫度及推力目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整。為解決“空腔”區(qū)域易起火的問題，后續(xù)的星艦飛船級(jí)加裝了額外的排氣口和氮?dú)獯党到y(tǒng)，增強(qiáng)推進(jìn)劑泄漏防護(hù)能力。未來星艦將改用第三代猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)（猛禽V3）后，將縮小“空腔”區(qū)域體積，進(jìn)一步降低推進(jìn)劑泄漏隱患。 圖7 新增的排氣孔
3.2 面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
馬斯克在近期的采訪中還透露，為了實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用，超重-星艦仍需要改進(jìn)。
（1）助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和底部熱防護(hù)系統(tǒng)的微調(diào)
助推級(jí)方面，雖然此前已成功進(jìn)行了“筷子”回收，但在回收的過程中，猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)和底部熱防護(hù)系統(tǒng)都受到了不同程度的輕微損傷，需要進(jìn)行針對(duì)性的微調(diào)，目前超重助推級(jí)已接近完全快速重復(fù)使用的目標(biāo)。
（2）飛船級(jí)熱防護(hù)系統(tǒng)仍是難題
飛船級(jí)方面，目前熱防護(hù)系統(tǒng)仍然是面臨的最大技術(shù)難題，馬斯克希望能通過對(duì)隔熱瓦的反復(fù)快速迭代來解決。SpaceX已經(jīng)在公司內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了隔熱瓦研發(fā)和制造能力的垂直整合，掌握了從原材料供應(yīng)到隔熱瓦產(chǎn)品出廠的整個(gè)鏈條。馬斯克表示，隔熱瓦所采用的材料是由SpaceX獨(dú)立研發(fā)制造的，其主要成分是玻璃和氧化鋁制成的極細(xì)纖維，再加上特殊的涂層，相比航天飛機(jī)的碳-碳復(fù)合材料具有更好的輕質(zhì)性和韌性。
在隔熱瓦的安裝工藝方面，要充分考慮隔熱瓦下的不銹鋼箭體結(jié)構(gòu)能夠自由的熱脹冷縮。由于箭體在加注的超冷推進(jìn)劑時(shí)會(huì)受冷收縮，這些硬質(zhì)的隔熱瓦之間的間隙會(huì)不斷的收縮和擴(kuò)張。箭體不同區(qū)域的受影響程度不同，如在低溫貯箱區(qū)域，在注入零下185攝氏度的過冷液氧燃料時(shí)，再入時(shí)溫度可達(dá)到約540攝氏度，極高的溫度差會(huì)造成箭體的熱脹冷縮。隔熱瓦間隙變化可達(dá)10%～20%。此外箭體不銹鋼結(jié)構(gòu)在飛行過程中本身也有變形，如在上升過程中，當(dāng)推力改變方向時(shí)，箭體會(huì)產(chǎn)生微小變形。這就意味著不能把他們緊緊的貼在一起，否則會(huì)因相互的擠壓而碎裂。

四、小結(jié)

本次試飛中，超重助推級(jí)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在返回過程中兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了重啟故障，星艦飛船級(jí)在飛行階段發(fā)生失控，多發(fā)動(dòng)機(jī)異常關(guān)機(jī)，隨后飛船級(jí)開始不受控滾轉(zhuǎn)，最終爆炸解體。兩級(jí)的情況均與上次試飛中所出現(xiàn)的情況高度相似，表明上次事故的根本原因可能未被完全識(shí)別，或者改進(jìn)措施沒有針對(duì)到問題的根源。短間隔試飛體現(xiàn)了SpaceX對(duì)技術(shù)路線的戰(zhàn)略自信，但星艦飛船級(jí)接連失利表明其仍需在快速迭代與系統(tǒng)驗(yàn)證間尋求更優(yōu)平衡。如果問題持續(xù)復(fù)發(fā)，可能會(huì)陷入因過度追求快速迭代而輕視航天工程復(fù)雜性的新矛盾中。
該項(xiàng)目于2016年公布，2019年開始原型機(jī)試驗(yàn)，2023年開始整箭試飛，目前八次試飛中有四次遭遇失利，并且發(fā)生了重復(fù)的連續(xù)失敗。以往此類項(xiàng)目發(fā)生這種情況通常會(huì)終止，或者至少需要長期停飛以進(jìn)行歸零和整改，必要時(shí)還會(huì)對(duì)管理結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，工程也會(huì)重新評(píng)估，這會(huì)使項(xiàng)目成本增加。