北京時間2024年10月13日晚，SpaceX進行了激動人心的星艦(Starship)第五次飛行試驗（IFT-5），成功對超重助推器進行了回收，結果振奮人心。

除了圍觀的廣大航天愛好者，航天領域更是對此次飛行試驗高度關注，包括中國國家級和民營航天。

作為中國民營航天的代表之一，星際榮耀就組織相關專業(yè)人員，對星艦第五次飛行試驗的準備工作、實際情況，以及出現(xiàn)的特殊情況，進行了詳盡的歸納整理、分析與總結。

現(xiàn)轉述如下——

【飛行回顧】

星艦于北京時間2023年4月20日首飛，由于起飛過程中超重助推器有部分發(fā)動機無法正常工作，火箭自毀。

在同年11月進行的第二次飛行試驗中，盡管星艦成功實現(xiàn)了熱分離，最終還是以自毀結束。

隨后在2024年3月的第三次飛行試驗中，星艦飛船首次達到預定軌道，并對載荷艙艙門以及推進劑轉移項目進行了測試，飛行試驗取得部分成功。

星艦第四次飛行測試于北京時間2024年6月6日晚進行，超重助推器和星艦飛船都成功完成了軟濺落，但再入過程中星艦飛船S29的其中一個前襟翼嚴重損壞。

下表為星艦歷次飛行試驗小結：

表1 星艦歷次飛行試驗小

事后，6月12日，美國聯(lián)邦航空局（FAA）得出結論，他們不需要對第四次飛行測試進行事故調查：“美國聯(lián)邦航空局評估了SpaceX星艦第四次飛行任務的運行情況。星艦飛船和超重助推器的所有飛行事件似乎都發(fā)生在計劃和授權的活動范圍內。”

本次試驗達成了多項成就：

盡管一臺猛禽發(fā)動機未能成功點火，超重助推器仍成功完成海上濺落；

星艦飛船首次成功通過了大氣層再入，盡管再入過程中一個前翼因高溫受損，飛船仍可控制，并順利完成了“翻轉和點火”機動。

這一成就展示了SpaceX在熱防護系統(tǒng)和姿態(tài)控制方面的進步。

2024年9月22日，馬斯克分享了一張從海中打撈出的超重助推器B11的含有部分發(fā)動機的照片，用來評估發(fā)動機的狀態(tài)。

圖1 打撈出的B11殘骸

2024年10月10日，Jeff Foust（著名網站SpaceNews編輯）在個人社交媒體上提到：

“今天，SpaceX公司的比爾·格斯頓邁爾（Bill Gerstenmaier）在一場委員會會議上發(fā)表了一些評論。他表示，之前的超重型火箭以半厘米的精度”落入海洋，這為即將到來的接力嘗試帶來了信心。”

圖2 評論（左）以及精度可視化（右圖標點處）

【第五次飛行情況】

本章節(jié)主要介紹2024年10月13日第五次飛行試驗的基本情況，包括飛行產品狀態(tài)、理論飛行流程以及飛行試驗的目的與亮點。

3.1 飛行產品狀態(tài)

本次飛行使用的一二級組合為超重助推器B12以及星艦飛船S30。

針對第四次飛行試驗出現(xiàn)的問題，SpaceX星艦團隊對本次飛行試驗中的飛行產品進行了一系列優(yōu)化改進。

3.1.1 超重助推器改進

3.1.1.1  通信與天線

SpaceX對超重助推器上用于保護氣瓶的長排罩上的Starlink終端進行了重新設計，采用了方形的新方案，原方案為圓形。

改進的目的猜測為與超重助推器上的其他終端接口進行統(tǒng)一。

圖3 超重助推上重新設計的星鏈天線接口（圖右為新設計狀態(tài)）

3.1.1.2  防熱底板

超重助推器B11發(fā)動機防熱底板邊緣的黑色材料疑似為噴漆。

由圖5可知，在靜態(tài)點火之后（B11圖片時間為2024年4月7日），漆面局部剝蝕，露出防熱底板

。在超重助推器B12黑色噴漆被替換為單層不銹鋼鋼板圍擋，防熱大底處可見防熱底板及不銹鋼板連接痕跡，推測不銹鋼圍擋對超重型的復用流程起到優(yōu)化作用，避免重復噴漆。

圖4 B11（左）與B12（右）的結構外觀變化（整體視角紅色標記處）

圖5 B11（左）與B12（右）的結構外觀變化（局部細節(jié)）

3.1.1.3  結構設計

在超重助推器B12的兩個穩(wěn)定點上，每個穩(wěn)定點的兩側都增加了6個新的加強筋，每一側增加了3個。

這些新增的加強筋可能是為了提高結構穩(wěn)定性和強度，特別是在穩(wěn)定臂鎖定到助推器位置。

在捕獲超重助推器時，需要對機械臂的夾角進行調整，由張開轉為收攏狀態(tài)。

在此期間，助推器與機械臂的間距不統(tǒng)一，可能會出現(xiàn)碰撞。

這項改動可能是因為在第四次飛行試驗后，助推器B14.1在機械臂測試后，穩(wěn)定點附近出現(xiàn)裂縫。

為確保后續(xù)助推器能夠順利執(zhí)行回收任務，SpaceX對該處結構進行補強。

圖6 B14.1在機械臂測試后的縱向與環(huán)向裂縫（上）與B12的新加強筋（下）

3.1.1.4  飛行終止系統(tǒng)

超重助推器（編號B12）的液氧貯箱上新增了一個飛行終止系統(tǒng)（FTS-Flight Termination System），位于液甲烷輸送管的橫向支撐附近，一并增加的還有一個護罩。

圖7 B12上新的FTS護罩

3.1.2 星艦飛船改進

3.1.2.1  貯箱壓力控制

S30的兩個貯箱上方部段均增加了一個新的排氣口，閥門也可能因此采用了新設計或布局。

圖8 新的甲烷（左）與液氧（右）排氣口 

此處可能是為了提高安全性或功能性而進行的改進。

例如，可能是為了更好地控制放氣過程，防止過度排放或意外泄漏，或者是作為排氣系統(tǒng)的一部分，以防止貯箱因溫度變化或在操作過程中出現(xiàn)壓力過高的現(xiàn)象。

3.1.2.2  通信與天線

星艦飛船S30鼻錐上的小金天線已被拆除并更換為隔熱瓦。這些天線曾是S30鼻錐上一個非常突出的特征。

天線右側的焊縫現(xiàn)在也不存在，這可能表明這些焊縫與天線有關，可能是天線的終端或者是接收器支架，天線取消后，這些支架也一并取消。

圖9 頭錐背風面處天線變化（左S28，右S30）

圖10 迎風面處天線

這些天線現(xiàn)在被集成在載荷艙部分，并且仍然被隔熱瓦覆蓋。這樣的設計改動可能是為了加強對天線的防護，避免飛行過程中在最大動壓段被氣動力熱條件所破壞。

此外，由于天線位于隔熱層下方，飛船組裝完成后可以保持完整的流線型氣動外形，這種設計可以減少空氣阻力，同時避免了外部凸起物引起的惡劣熱環(huán)境。

圖11 天線的新位置（位于背風面方框處）

這種新設計與超重助推器級間段處相同，因此這可能是兩個部段之間的統(tǒng)一設計，以簡化結構。根據(jù)某社交網站上的用戶提供的信息，可以佐證以上猜想。

圖12 網友的相關回復

3.1.2.3  熱防護系統(tǒng)

針對第四次飛行測試中暴露的重返大氣層問題后，SpaceX對S30的熱防護系統(tǒng)進行了多項關鍵改進，包括更換了更堅固的新型隔熱瓦、增加了燒蝕保護層以及在隔熱瓦下方加入了一層薄氈。

這些措施部分借鑒了Block 2版本星艦的設計。

圖13 “熱盾”隔熱瓦下方的毛氈

Elon Musk提到，S29的后部使用的雙層燒蝕材料在第四次測試中成功抵御了高溫侵蝕，這也促使SpaceX在S30的中央部分和翼片等關鍵部位增加了類似的升級，以增強其重返大氣層時的耐熱能力，據(jù)推測新的隔熱瓦的強度是之前的2倍左右。

此外，SpaceX還更換了隔熱瓦使用的粘合劑，并在縫隙較大的地方添加了更多填充材料，以解決耐熱瓦在生產過程中產生的容差問題，避免飛行試驗中的脫落。

圖14 “熱盾”的舊粘合劑（左）與新型粘合劑（右）

2024年10月9日，有愛好者發(fā)現(xiàn)，在S30的左側有一些隔熱瓦與其他不同，推測為測試用的隔熱瓦。

在第四次飛行試驗中也存在類似結構，不同的是，S29在某些地方刻意缺失一些隔熱瓦，可能是用于測試局部的溫度數(shù)據(jù)。

圖15 S30左舷測試用隔熱瓦（紅圈處）

3.1.2.4  箭載攝像頭

星艦飛船有效載荷艙上的三角形攝像頭塊（安裝了兩個攝像頭）已被移除。在以前的星艦飛船上，一個攝像頭能夠看到前襟翼和后襟翼的鉸鏈，但現(xiàn)在不再需要，或者已被重新定位到更隱蔽的位置。

圖16 更換襟翼攝像機

3.1.3 飛行產品優(yōu)化總結

從以上的變化可以看出，SpaceX重點對星艦飛船S30的“熱盾”隔熱瓦進行了升級，包括增加填充物、更換設計等。

此外，針對襟翼在第四次飛行試驗的表現(xiàn)，在本次飛行試驗中，星艦團隊更改攝像頭設置，著重觀察翼面以及襟翼與艦體連接處的位置。

對于超重型火箭B12而言，考慮到本次飛行試驗兼具“捕獲”與“濺落”兩種回收方式，SpaceX為其增加額外貯箱。

整體而言，超重助推與星艦飛船有多處結構進行了統(tǒng)一設計，如超重助推上的星鏈終端、星艦飛船天線與超重助推天線統(tǒng)一等，這么做可以降低出現(xiàn)錯誤的風險。

3.2 飛行產品研制和試驗歷程

3.2.1 超重助推器B12試驗歷程

B12超重助推器于2022年12月開始建造，并在2023年8月完成組裝。該助推器是星艦基地打造的第5枚升級款超重型火箭。

B12超重助推器主要試驗項目見下表：

表2  B11地面試驗歷程

圖17 超重助推器B12靜態(tài)點火

3.2.2 星艦飛船S30試驗歷程

S30星艦飛船于2022年9月投產，2023年7月開始組裝，2023年8月完成。

S30星艦飛船主要試驗項目見下表：

表3 S30主要地面試驗歷程

圖18 星艦飛船S30第二次靜態(tài)點火

3.2.3 完整飛行組合

在星艦飛船S30完成第二次靜態(tài)點火試驗后，SpaceX宣布用于第五次飛行試驗的兩個部段已做好飛行準備。

2024年9月21日，B12/S30組合體完成第一次組裝，并于兩天后完成第一次貯箱測試。

貯箱測試后，星艦飛船S30被拆下，同時拆除的還有超重助推器B12上的熱分離適配器。

2024年10月5日，B12/S30組合體完成了第二次組裝，為第五次飛行試驗做準備。

圖19 組裝過程中的B12與S30

下表為B12/S30組合體的相關試驗情況。

表4 B12/S30組合體主要地面試驗歷程

3.3 飛行實施方案

3.3.1 飛行試驗的延遲

2024年6月12日，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）宣布在SpaceX第五次星艦飛行測試（IFT-5）之前不需要對IFT-4事故進行調查。

8月30日，SpaceX獲得了美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的通訊許可證，標志著飛行準備進入最后階段。

然而，9月10日，SpaceX宣布FAA將發(fā)射日期推遲至11月，理由是超重型助推器的回收測試需要更多時間來審查許可。

SpaceX對FAA的許可程序表示不滿，稱其過多關注不相關問題，導致進展緩慢，且受到一些線上反對者和利益團體提供的“不準確的科學數(shù)據(jù)”的影響。

此外，德州環(huán)境質量委員會（TCEQ）和美國國家環(huán)境保護局（EPA）因SpaceX的水冷鋼板系統(tǒng)對環(huán)境的潛在影響對其進行了調查和罰款，進一步增加了監(jiān)管障礙。

SpaceX對此做出回應，強調他們的水冷系統(tǒng)使用的是飲用水，不會對環(huán)境造成重大影響，并得到了相關機構的支持。

與此同時，SpaceX指出，F(xiàn)AA的審查程序和環(huán)境咨詢拖慢了第五次飛行的許可審批，即使這些審查對其他發(fā)射公司并沒有類似的要求。

這些延誤引發(fā)了國會議員和航天業(yè)人士的批評，他們認為當前的法規(guī)影響了美國在太空競爭中的位置。

北京時間2024年10月13日0時21分左右，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）正式授予SpaceX星艦第五次飛行試驗許可證，且該許可證同樣適用于第六次飛行試驗。

3.3.2 起飛前準備

根據(jù)飛行試驗前的官網內容，圖20給出星艦起飛前的加注與測試等流程:

圖20 星艦五飛起飛前準備工作

與星艦第四飛時相比，本次飛行試驗中，星艦飛船液甲烷提前50s開始加注，液氧提前1min 40s開始加注。整體加注結束時間與第四飛相同，本次持續(xù)加注時間延長50s。

超重助推器液甲烷提前40s開始加注，液氧提前2min 57s開始加注。整體加注結束時間與第四飛相同，本次持續(xù)加注時間延長40s。

除此以外，其余流程無顯著變化。

以下為起飛前階段關于燃料加注的相關對比：

表5 IFT-4與IFT-5起飛前準備對比

3.3.3 飛行階段

根據(jù)飛行試驗前的官網內容，圖21給出星艦起飛后的飛行時序以及理論飛行軌跡： 

圖21 星艦起飛后官方時序與飛行軌跡

對于起飛后的落區(qū)控制，根據(jù)起飛前的相關官方通告，星艦飛船預計落入南印度洋，但落區(qū)范圍比上一次更小。

3.4 第五次飛行試驗目標與亮點

3.4.1 飛行試驗目標

與第四次飛行試驗相比，在本次飛行試驗中，超重助推器嘗試首次被“機械手”Mechazilla在軌道發(fā)射集成塔抓取。

這一大膽的回收方法旨在減少火箭的返航和檢查時間，從而提高發(fā)射頻率。

此外，星艦飛船在完成軌道飛行后嘗試濺落印度洋，和之前的測試類似。

3.4.2 飛行試驗亮點

本次飛行試驗與前四次的不同點在于，SpaceX新增機械臂“嘗試捕捉超重助推器”這一環(huán)節(jié)。

根據(jù)官方給出的飛行時序，本次飛行試驗在發(fā)動機關機、熱分離、返航點火、拋棄熱分離環(huán)以及著陸點火的時間較第四次飛行試驗有所提前。

這意味著星艦團隊有意降低超重助推器的飛行高度以及飛行速度，嘗試提高機械臂的捕獲成功率。

對機械臂能否執(zhí)行捕獲超重助推器程序起決定性影響的時間點是在超重助推器著陸前的6s，即《T+00:06:50》時刻。

圖22 關鍵時刻“T+00:06:50”處指令

1)如果機械臂或超重助推器未達到捕獲條件，超重助推器直接執(zhí)行“海上濺落”程序，并進入著陸點火程序，在距發(fā)射場數(shù)十公里處的墨西哥灣執(zhí)行海面軟著陸，與第四次飛行試驗相同。

2)如果達到嘗試捕獲條件，超重助推器直接執(zhí)行捕獲程序。這意味著，在捕獲之前，超重助推器與發(fā)射塔需要檢測數(shù)千條數(shù)據(jù)，只有在確定超重助推器與發(fā)射塔均狀態(tài)良好、運行正常的情況下，經發(fā)射任務總監(jiān)確認后，才會發(fā)出捕獲指令。

3.4.3 星艦地面發(fā)射和回收系統(tǒng)簡述

SpaceX為星艦設計了一種奇特的地面發(fā)射和回收系統(tǒng)，即被稱為“第0級”的系統(tǒng)，主要由“軌道發(fā)射集成塔”（OLIT）和“軌道發(fā)射臺”（OLM）組成。

圖23 星艦地面發(fā)射和回收裝置

3.4.3.1 軌道發(fā)射集成塔

軌道發(fā)射集成塔是一個由鋼材構成的高塔，高度為146米，由9個鋼材料的桁架結構部段組成。每段的截面為正方形，邊長約為12米。

桁架結構的4根主立柱采用大尺寸的方形鋼材（截面邊長1.6米），內部利用較細的鋼材連接，提升整體強度。主塔還提供了發(fā)射總裝和返回捕獲的基礎支撐，用于安裝機械臂、星艦飛船快速斷開臂（QD，即臍帶臂）、吊裝設備等。

圖24 軌道發(fā)射集成塔主要結構

在這一系統(tǒng)中，機械臂（民間俗稱為“筷子”）扮演著至關重要的角色。

它們是雙叉臂結構，在卷揚機以及導軌的作用下可以在發(fā)射塔架上自由的上下移動，并且能夠沿中間縱軸轉動。

機械臂由兩部分組成：擺臂為助推器和星艦提供支撐，而托架負責將機械臂固定在塔架上，允許其上下滑動。

圖25 機械臂主要結構

圖26 擺臂上的結構（包括回收導軌、緩沖裝置等）

根據(jù)國外愛好者推測，機械臂可張開的角度大約為113°，有效捕獲長度為20m，此外還根據(jù)機械臂的尺寸推測出了可以捕捉的范圍。根據(jù)SpaceX前期水袋測試，機械臂的最大負載不小于700t。

圖27 水袋測試

圖28 網友對捕獲臂尺寸及張開角度預估圖（左）與有效回收范圍（右圖紅色區(qū)域）

機械臂上有兩處特別的地方：回收導軌處的液壓緩沖裝置和擺臂內側的金屬盒狀吸能結構。

超重助推器在執(zhí)行回收任務時，位于箭體兩側的著陸支耳率先與導軌接觸，此時導軌處于升起狀態(tài)。

待箭體穩(wěn)定后，導軌下方的氣缸壓縮，使導軌向下移動，起到整體緩沖的作用。

這么做的目的是吸收一部分機械能，減小箭體以及機械臂的載荷。

圖29 超重助推器回收時捕獲臂的動作推測（順序為從左至右）

因星艦艦體與機械臂均存在一定的控制誤差，機械臂的擺臂內側安裝有緩沖裝置。

根據(jù)推測，該裝置在早期為軟包覆的泡沫材料，后續(xù)可能因為星艦試飛中被尾焰損壞而對其結構進行優(yōu)化，外部通過金屬盒狀結構進行包覆，內部緩沖塊材料暫未明確是否有更新。

圖30 原版緩沖裝置（左 IFT-2前）以及改進后緩沖裝置（右 IFT-5前）

在本次飛行試驗前，還能看到緩沖裝置表面的剮蹭痕跡。

圖31 機械臂內側緩沖裝置表面剮蹭（紅圈處）

3.4.3.2  軌道發(fā)射臺

軌道發(fā)射臺主要由發(fā)射臺基體、噴水降噪系統(tǒng)等組成，滿足星艦的支撐、固定與發(fā)射要求。

發(fā)射臺地基使用混凝土澆筑，地下埋有地基樁。星艦首飛時，發(fā)射臺的混凝土曾因超重助推器發(fā)動機尾焰的沖擊熱解，后續(xù)揚起的砂石與部分被破壞結構對發(fā)動機進行了破壞，使其失效。

后續(xù)SpaceX團隊進行了修復以及優(yōu)化。

圖32 星艦首飛后發(fā)射臺情況

地基上方的鋼支撐結構分為斜撐與垂直支撐結構。斜撐結構共6組，上方為發(fā)射臺的主體。

發(fā)射臺主體為一個直徑約18m的鋼制圓環(huán)，高約6m，同時也是發(fā)射塔的功能區(qū)。牽制釋放裝置、快速脫拔裝置等均設置在此處。表6為發(fā)射臺部分數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖33 發(fā)射臺的結構構成

表6 相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計