超重-星舰第二次综合飞行试验情况分析

本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%。

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。

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。

图3 超重-星舰的热分离方案成功得到验证

图4 分离过程中超重助推级发动机的工作状态（白色工作、黑色关机）

2023年4月20日，SpaceX在星基地对超重-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，速度、高度严重偏离飞行剖面；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”，以及SpaceX公司“必须采取的63项整改措施”，见附表1。随后，SpaceX官方公布造成超重-星舰首次轨道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，火灾切断了主飞行计算机的连接，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，然后超重推进级主发动机关机，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推进级将以不同的角速度绕各自质心旋转。解锁时刻，星舰的质量远大于超重推进级的质量，因此，超重推进级的角速度将明显大于星舰的角速度，从而实现分离。整体过程类似于猎鹰9火箭上面级批量部署星链卫星的方式。而且，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。

2.升级自主飞行中止系统（AFTS）

3.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（Hpus）；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。

4.提高发动机热防护和防火性能

图8 B9助推级发动机舱热防护得到显著改善

5.采取助推级泄漏缓解措施

6.其他改进

SpaceX已将超重-星舰的第三次轨道飞行申请提交给美国联邦航空管理局（FAA），计划于2023年12月1日至2024年2月23日进行。当然，最终实际情况要根据第二次飞行的最终调查结果进行调整。

超重-星舰的制造装配仍在快速推进，包括6个超重助推级和8个星舰飞船级处于制造、装配和试验的不同阶段。

图15 6个处于不同装配制造和试验阶段的超重助推级

星舰飞船级方面，S26、S28、S29、S30、S31已经基本完成主体结构的制造装配，S26和S28已经安装了部分猛禽发动机，其他3个处于部段的装配制造过程中。其中，SpaceX针对S28热防护系统做了大量工作，这表明SpaceX可能希望利用S28顺利再入大气层。星舰原型机的装配效率不断提高，星舰S31的组装仅用了33天，同时，距星舰S30完工仅47天。

SpaceX持续推进猛禽发动机的升级改进工作，2023年5月，已完成第三代猛禽发动机（猛禽V3）的热试车，试验中燃烧室压力达到了35MPa，并且在这样的燃烧室压力下发动机稳定持续工作了45s左右，对应发动机推力则达到了269t。猛禽V1的推力为185t，猛禽V2的推力为230t，猛禽V3比猛禽V2推力高出17%左右。

随着猛禽发动机的升级，超重-星舰的性能也将进一步提升，未来配备33台猛禽V3的超重助推级将能够产生8878t的总推力，超重-星舰在一次性使用状态下运载能力可达300t，重复使用状态下为180t。

针对首飞中暴露的问题，SpaceX重点对超重助推级和地面发射设施进行了升级，因此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。虽然最终超重助推级在分离后快速计划外解体，星舰飞船级可能触发了飞行中止系统，但更应该看到，在飞行中超重助推级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台发动机长程点火，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。

航天运输能力是空间能力建设的基础。未来，超重-星舰在一次性使用模式下的运载能力可达300t，在重复使用模式下的运载能力可达180t，其应用前景广阔，不仅能够支撑构建SpaceX自己的星链低轨巨型星座，而且还得到美政府和军方的广泛支持，达成包括基于超重-星舰的月球载人运输能力、小行星探测构架、火箭货运能力等的多项合作，还在与NASA等机构探讨发射更大的太空望远镜。特别是，NASA在超重-星舰系统上投资高达40亿美元，目标是让美国人在5年内重返月球。随着超重-星舰快速迭代，当其投入使用后，美国空间设施将会出现急速扩张的态势，其太空能力也将进一步领先全球。