導語：2024 年 3 月 14 日，在 SpaceX 成立 22 周年紀念日當天，美國得克薩斯州博卡奇卡星基地迎來了超重 - 星艦的第三次綜合飛行測試（IFT-3）。
龍雪丹 1 楊開 1 王林 1 褚洪傑 2
（1. 北京航天長征科技信息研究所；2. 中國航天科技集團有限公司）
2024 年 3 月 14 日，在 SpaceX 成立 22 周年紀念日當天，美國得克薩斯州博卡奇卡星基地迎來了超重 - 星艦的第三次綜合飛行測試（IFT-3）。此次試飛中超重 B10/ 星艦 S28 組合體按計劃進行了飛行，雖然未能實現全部試驗目标，但較前兩次試飛有了顯著的進步，首次達到了入軌速度，飛船級在軌進行了有效載荷艙門的開關試驗、推進劑轉移試驗，收獲了重要試驗數據。标志着 SpaceX 超重 - 星艦項目向前邁進了堅實的一步。同時本次試驗對于 NASA 的阿爾忒彌斯計劃也至關重要。
事後，美國聯邦航空管理局（FAA）發表聲明，按照四級故障标準将此次發射結果定義爲 " 故障 "（Mishap，影響僅高于 " 異常 "（Anomaly）），并将監督 SpaceX 對故障進行調查，以确保該公司遵守 FAA 批準的事故調查計劃和其他監管要求。
一、試飛及目标完成情況
（一）試驗目标
此次試飛的飛行路徑設計與前兩次有所不同，前兩次飛行要求星艦飛船級在升空約 90 分鍾後于夏威夷附近的太平洋濺落。而此次星艦飛船級則将飛行 65 分鍾後于印度洋濺落，預定飛行時序見表 1。并計劃在在軌狀态下，對三種技術進行測試，包括：
測試有效載荷艙門的開啓和關閉；
驗證頭部貯箱到主貯箱的推進劑轉移；
嘗試發動機在軌重啓。
其中在軌推進劑轉移是爲了演示 SpaceX 在 " 臨界點 " 技術研發合同下負責研究的低溫推進劑傳輸技術，該技術将用于星艦載人月球着陸器。測試中，SpaceX 将把推進劑從星艦内的頭部小貯箱轉移到其主貯箱，爲未來執行深空任務時将推進劑從加油船轉移到星艦飛船打下基礎。
表 1 超重 - 星艦第三次試飛飛行時序及實際飛行情況
（二）試驗情況
2023 年 11 月第二次試飛失敗後，馬斯克曾計劃在 2024 年 1 月進行第三次試飛，但由于對第二次試飛調查和重新獲得美國聯邦航空管理局（FAA）飛行許可證的進度問題，最終試飛時間定于 3 月 14 日。而 FAA 的飛行許可證在發射前一天才發布。
發射當天，由于有船舶進入近海限制水域，導緻發射推遲了近一個半小時。SpaceX 在倒計時期間沒有報告任何技術問題。最終超重 B10/ 星艦 S28 組合體于美國東部時間 2024 年 3 月 14 日上午 9 點 25 分（北京時間 2024 年 3 月 14 日 21 點 25 分）從星基地升空。
上升過程中，B10 的 33 台猛禽發動機正常啓動，起飛後 2 分 49 秒，一二級進行了熱分離，此時火箭高度 72 千米，速度爲 5662 千米 / 小時。随後，B10 進行了返回點火和着陸點火，試圖在墨西哥灣垂直返回海上濺落，但 B10 在着陸點火過程中未按計劃時間啓動發動機，SpaceX 遙測畫面顯示 B10 以超過 1000 千米 / 小時的速度砸入水中，入水後依然有幾秒鍾收到了箭上回傳畫面。
一二級分離後，星艦 S28 的 6 台發動機繼續工作。起飛 8 分 21 秒後，S28 的 3 台真空型猛禽發動機關機，8 分 35 秒 3 台海平面型發動機關機，S28 以約 7.36 千米 / 秒的速度在 150 千米高度入軌，有推測其入軌軌道爲－50 × 234 千米。之後，S28 進入滑行階段，并開展相關試驗。
在 S28 滑行階段，SpaceX 開展了有效載荷艙門開關試驗和在軌推進劑轉移演示驗證，推進劑從飛行器内的頭部小貯箱轉移到主貯箱，但公司總裁肖特韋爾表示，推進劑轉移試驗的結果有待确認。SpaceX 原計劃在起飛後約 40 分鍾對星艦上的單台猛禽發動機進行短暫的重啓，以驗證發動機在軌重啓能力，但由于滑行期間飛行器的滾動速率過高，最終沒有進行該測試。
起飛後約 41 分 40 秒，SpaceX 表示開始準備再入，S28 高度約爲 145 千米。起飛後約 44 分 45 秒，S28 的襟翼開始擺動，飛行高度約爲 116 千米，同時畫面上明顯伴有掉落物。在此後的再入過程中，S28 保持腹部（鋪設有防熱瓦的一面）向下，在約 87 千米高度達到最大速度，約爲 7.43 千米 / 秒，遙測畫面中明顯看到防熱瓦因高速飛行與大氣摩擦升溫，出現等離子體場，同時也能發現少量幾塊防熱瓦已經脫落的情況。當 S28 下落到 76 千米高度（起飛後約 48 分 37 秒）時，星鏈傳回的實時畫面中斷，僅有 NASA 的跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRS）傳回的高度、速度等遙測數據。當 S28 下落到 65 千米高度（起飛後約 49 分 40 秒）時，所有遙測數據中斷。大約 15 分鍾後，SpaceX 宣布 S28 已經失聯。推測可能已經解體。
二、超重 B10/ 星艦 S28 概況
本次飛行試驗采用了超重 B10 和星艦 S28，其基本情況見圖 1。B10 超重型助推級 2022 年 3 月投産，在 2022 年 10 月開始組裝。S28 星艦飛船級于 2022 年 7 月投産，2023 年 3 月至 4 月期間組裝。2024 年 3 月 6 日，B10/S28 組合體完成了射前演練（WDR）。SpaceX 在 2 年時間内完成了整枚試驗箭的制造、裝配和測試，主要試驗項目見表 2 和表 3。期間，在完成超重 - 星艦前兩次飛行試驗後，SpaceX 還針對 B10 和 S28 進行了大量改進工作，其研制效率可見一斑。
表 2 S28 地面試驗曆程
表 3 B10 地面試驗曆程
三、主要升級改進
在超重 - 星艦的第二次軌道試飛（2023 年 11 月 18 日）中，超重助推級在中央 13 台發動機進行返回燃燒後，多台發動機異常，引發了助推級的快速計劃外解體（RUD）。最可能的根本原因被确定爲向發動機供應液氧的過濾器堵塞，導緻發動機氧化劑渦輪泵入口壓力損失，最終導緻一台發動機發生故障，并引發了助推級 RUD。而星艦飛船級在飛行大約七分鍾後，按計劃排出多餘的液氧推進劑。當液氧排氣口啓動時，星艦後部發生洩漏，導緻燃燒事件和随後的火災，星艦飛行計算機之間的通信中斷。随後自主飛行安全系統啓動飛行終止系統，導緻星艦解體。
針對上述故障，以及從試飛中獲得的數據，SpaceX 對超重 - 星艦進行了大量升級。
（一）第 0 級
軌道罐區經過重新設計，增加了更多的卧式儲罐，此外還增加了過冷器（Sub chiller），使推進劑加注速度明顯提高。升級後加注提速情況見表 4。
表 4 升級前後推進劑加注時間對比
（二）超重助推級
針對第二次飛行故障，SpaceX 對助推級氧化劑貯箱進行硬件改造，以提高推進劑過濾能力，并改進操作以提高可靠性。此外，還有以下兩項顯著的升級。
1、重新設計貯箱共底
B10 采用了新的貯箱共底設計，頂部更加平滑。
2、采用發動機艙分隔闆
SpaceX 設計制造了最新的發動機艙分隔闆，用于外圈發動機防止相鄰發動機爆炸對其造成影響，由不鏽鋼制造而成，内部有波浪隔闆。
（三）星艦飛船級
與 S25 相比，S28 有相當重大的升級，SpaceX 對 S28 進行了硬件改造，以減少洩漏、提高防火性能，并改進與推進劑排氣口相關的操作，以提高可靠性。同時，也将星艦飛船級将猛禽發動機的液壓轉向系統改爲全電動系統，這也消除了潛在的易燃源。此外還有一些改進體現了此次飛行與以往的主要變化。
1、有效載荷艙門
S28 的内部結構發生了相當大的變化，其中主要變化之一與有效載荷艙門有關。現在，艙門的開口周圍有非常大的雙層闆，而 S25 的艙門周圍隻有少量的縱梁，而且一旦密封起來，最終就沒有任何加固了。該設計首次出現在 S27 上，并通過 S24.2 樣機進行了驗證。
艙門的周邊還添加了 9 塊飛行前可拆卸的鎖定闆，防止艙門在鎖定闆就位時打開。此外，S28 的有效載荷門的密封裝置不同于以往。飛船船側增設密封件，更新後的門上的軟木材料已被不鏽鋼取代。
2、更大的PEZ 分配器支架
S28 内安裝的 PEZ 分配器支架作爲星鏈衛星的容納和部署機構，其高度比此前版本的有大幅增加。
3、增加星鏈終端
在星艦頭錐的背風側安裝了 4 個星鏈終端，取代了過去與有效載荷艙艙口集成的單個終端。這可能會讓星艦在飛行過程中與現有的無線電天線一起擁有更穩定的連接。在 SpaceX 向聯邦通信委員會（FCC）的第三次飛行的文件列出了增加的星鏈終端數量，特别指出全箭共有 8 個星鏈終端。以此推斷，其餘 4 個星鏈終端安裝在超重助推級上。
4、電動推力矢量控制
S28 是第一艘配備電動推力矢量控制（TVC）系統進行測試的星艦飛船級。這項改進讓發動機上的液壓執行機構替換爲了電動執行機構，并剔除了箭體兩側的液壓系統，降低重量和複雜度，并增加了冗餘。此前，B9 超重助推級已經改用電動執行機構，B10 同樣采用。
5、排氣口和分流器
在鼻錐上方，爲頭部小貯箱的 2 個排氣口安裝了分流器，可将排放氣體向下分流，可能用作姿态控制推進器或推進劑沉底推力器。而液氧貯箱原來配有分流器的 2 個排氣口已被完全删除，這可能也是鼻錐處的頭部小貯箱排氣口增設新分流器的原因。
6、頭部氧箱輸送管重新設計
在頭部氧箱輸送管的底部，擴展部分經過了重新設計，現在更長并且具有圓形邊緣。
7、發動機艙内的液氧排氣口
在裙邊的下側，添加了 3 個可插入液氧貯箱的新排氣口。它們的傾斜位置可能表明它們可以充當某種姿态控制推進器。
8、熱保護系統
S28 的防熱瓦有明顯變化，第一個變化就在鼻錐上。邊緣的防熱瓦拼接形狀進行了調整，邊緣線條更加平坦。
SpaceX 對襟翼防熱瓦進行了更改，減少了微小不規則瓦片的數量，開放間隙的總體數量也有所減少。
9、增加液氧貯箱内部縱梁
在液氧貯箱下部，添加了 24 根内部縱梁柱，以提升箭體的結構強度。
四、總結分析
（一）持續快速叠代，新技術驗證和應用成效顯著
2023 年 4 月至今，SpaceX 利用不到一年的時間，完成 3 枚超重 - 星艦的發射，并在本次試驗中成功入軌，達到了遞歸改進、快速叠代的目标。SpaceX 再次展示了在 " 失敗 " 中學習和進步的能力，并且不會以同樣的方式失敗兩次。此次飛行試驗不僅再次對第 0 級、多發動機并聯、級間熱分離等關鍵技術進行了驗證，更穩定的飛行過程也證明了改進措施的有效性。同時，本次還對新技術進行測試，尤其是頭部貯箱到主貯箱的推進劑轉移，初步驗證了在軌加注技術，對未來重複使用運載火箭的能力拓展具有重要意義，對于大規模、常态化的空間探索活動具有深遠影響。最後，本次發射過程中，SpaceX 充分利用星鏈的通信能力傳回了清晰的箭上實時畫面，獲取了更多數據，爲超重 - 星艦快速叠代提供了重要基礎。
（二）飛行試驗充分暴露問題，熱防護方案仍待進一步優化
超重 - 星艦作爲一個複雜的系統，通過本次試驗暴露出了諸多問題。這也是 SpaceX 快速叠代理念的基礎邏輯之一，通過實際飛行發現問題、檢驗方案可行性。一方面，超重助推級在返回過程中，姿态穩定性較差，栅格舵有明顯的大範圍調整動作，而且反推發動機未按預定時間點火啓動，未能充分減速，導緻超重助推級以過大速度撞落水面。另一方面，直播畫面顯示 S28 防熱瓦在上升過程中出現脫落現象，再入畫面也能明顯發現脫落的部位。盡管不鏽鋼材料相比鋁合金材料能夠承受更高的極限溫度（超過 800 ℃），但星艦再入極限溫度可以達到 1350 ℃。在防熱瓦脫落的情況下，星艦可能出現類似哥倫比亞号航天飛機返回時因熱流穿透熱防護系統導緻結構失效的情況。在星艦的迎風面有 18000 多枚類似的防熱瓦，如何确保如此龐大數量的瓦片的可靠性和工藝一緻性是未來 SpaceX 需要攻克的難題之一。
（三）後續工作以快速實現可重複使用爲重點
本次試飛爲超重 - 星艦在今年的試驗開啓了一個良好的開端，SpaceX 計劃今年完成 9 次超重 - 星艦發射，但仍需要獲得 FAA 的批準，而 FAA 也明确将本次飛行試驗定義爲 " 故障 "（Mishap），需要開展調查和改進。超重 - 星艦後續研制工作的重點是以快速的節奏實現完全的、快速的可重複使用。重型火箭的可重複使用對進出空間具有重要的意義。爲了達到這個目标，要加快生産和測試的速度。馬斯克認爲，任何特定的技術開發，都可以用叠代的次數，和每次叠代之間的間隔時間來衡量。每次發射或測試，都能獲得經驗。因此，要增加發射和測試的頻率。而且，犧牲硬件總比犧牲時間要好。時間才是真正的貨币。這正是通往火箭快速複用的最快途徑。
（文章爲作者獨立觀點，不代表艾瑞網立場）
