超重-星艦第十次綜合飛行測試情況分析

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.中國航天科技集團有限公司）

美國中部時間2025年8月26日（北京時間8月27日），SpaceX成功執(zhí)行了超重-星艦的第十次綜合飛行測試（IFT-10），兩級按計劃進行了海上濺落，實現(xiàn)了全部試驗?zāi)繕耍炞C了二代星艦有效載荷部署能力、猛禽發(fā)動機在軌重啟能力等。

本次試飛距上一次（IFT-9）91天，鑒于此前三次試飛均以失敗告終，此次飛行不僅驗證了改進措施的有效性，為后續(xù)任務(wù)奠定基礎(chǔ)，更是通過成功再入返回驗證了二代星艦的熱防護系統(tǒng)，并收集到了更多數(shù)據(jù)，向著完全、快速可重復(fù)使用邁出重要一步。

一、試驗?zāi)繕伺c計劃飛行時序

本次試飛箭由超重B16助推級（一級）和星艦S37飛船級（二級）組成。超重B16不執(zhí)行返場和捕獲回收任務(wù)，而是返回墨西哥灣海域濺落；星艦S37開展亞軌道飛行，并最終印度洋海域濺落。

超重B16助推級在飛行任務(wù)中進行以下驗證活動：

• 受控姿態(tài)翻轉(zhuǎn)。級間分離后，助推級仍將以受控方式沿預(yù)定方向翻轉(zhuǎn)，調(diào)整為返回飛行的姿態(tài)后，再啟動中圈和中心的13臺發(fā)動機進行返回點火。該操作在IFT-9中首次演示，能為上升段保留更多推進劑，提升運載能力；

• 著陸點火階段發(fā)動機冗余性能測試。在下降至海面附近，進行著陸點火時，有意關(guān)閉3臺中心發(fā)動機里的1臺（模擬故障情況），并啟用1臺中圈發(fā)動機作為備份發(fā)動機（如下圖標紅處），評估中圈發(fā)動機用于著陸點火的能力，收集數(shù)據(jù)。在著陸點火最后階段，轉(zhuǎn)換到僅2臺中心發(fā)動機工作，使箭體在海面上方懸停，最終關(guān)閉所有發(fā)動機并墜入海中。

圖1 超重B16的33臺猛禽發(fā)動機（外圈20臺，中圈10臺，中心3臺）

SpaceX為星艦S37飛船級設(shè)定的目標與此前基本一致，但此前任務(wù)中均未能得到驗證，主要包括以下三個方面：

• 有效載荷部署能力測試。部署8顆下一代星鏈衛(wèi)星的質(zhì)量模擬器，驗證堆疊和主動彈出式的有效載荷艙功能。

• 猛禽發(fā)動機在軌二次點火測試。在無動力滑行段，完成星鏈模擬器部署驗證后，驗證單臺發(fā)動機在軌點火啟動能力。

熱防護系統(tǒng)再入測試是本次任務(wù)重點，同時也是對二代星艦升級型襟翼的首次試驗。移除多處隔熱瓦，以評估結(jié)構(gòu)的極限受熱能力；測試多種金屬隔熱瓦方案（包括主 動冷卻型），以評估替代方案 ；驗證兩側(cè)捕獲點的熱防護和結(jié)構(gòu)，以及平滑處理后的熱防護邊緣，見下圖；以更高熱載荷的再入飛行剖面進行驗證。

圖2 熱防護瓦邊緣改進（星艦S33（左）/星艦S37（右））

本次飛行試驗任務(wù)的計劃飛行時序見下表。

表1 超重-星艦IFT-10的計劃飛行時序

圖3 超重-星艦IFT-10計劃飛行剖面圖

二、試飛情況

此次發(fā)射最初計劃在美國中部時間2025年8月24日7:45（北京時間8月25日上午7:45）進行，但在倒計時T-39分鐘時，星艦快速斷開（QD）連接的地面系統(tǒng)液氧管路出現(xiàn)故障，發(fā)射被推遲。經(jīng)過一天的故障排查，美國中部時間2025年8月25日下午8:00（北京時間8月26日上午8:00）SpaceX再次嘗試發(fā)射，但由于天氣原因再次被中止，當天僅進行了射前演練。

此次發(fā)射最終于美國中部時間2025年8月26日下午7:30（北京時間8月27日上午7:30）進行，超重B16/星艦S37組合體從博卡奇卡星基地軌道發(fā)射/集成塔A起飛。

（一）上升段

起飛后約1分33秒，外圈20臺發(fā)動機中的一臺異常關(guān)機；

圖4 一級上升段，1臺中圈發(fā)動機異常關(guān)機

• 起飛后2分38秒，一級按預(yù)定程序關(guān)閉30臺猛禽發(fā)動機（MECO），只保留3臺中心發(fā)動機繼續(xù)工作；

• 起飛后約2分45秒，二級6臺發(fā)動機啟動，一、二級熱分離，此時速度為4716千米/小時。

（二）一級返回

起飛后約2分48秒，一級與二級分離后，進行姿態(tài)翻轉(zhuǎn)調(diào)整飛行方向，同時進行返回點火（Boostback Burn），本應(yīng)重啟中圈10臺猛禽發(fā)動機，但此前出現(xiàn)故障的發(fā)動機未能重啟；

圖5 一級返回點火時，1臺中圈發(fā)動機未能重啟

• 起飛后約3分48秒，一級中心3臺猛禽發(fā)動機關(guān)機。此時高度為87.5千米，速度為1109千米/小時；

起飛后約6分18秒，一級相繼啟動中心3臺和中圈9臺猛禽發(fā)動機，進行著陸點火（Landing Burn），中圈的1臺故障發(fā)動機仍未能重啟；此時高度約2.2千米；

圖6 一級著陸點火時，1臺中圈發(fā)動機未能重啟

• 起飛后約6分23秒，一級中圈8臺猛禽發(fā)動機關(guān)機，僅保留中心2臺發(fā)動機和中圈1臺發(fā)動機工作。此時高度1千米；

• 起飛后6分37秒，中圈1臺發(fā)動機關(guān)機，僅保留中心2臺發(fā)動機，實現(xiàn)海上懸停，此時高度約為0.3千米；

• 起飛后6分41秒，中心2臺發(fā)動機關(guān)機，一級海上濺落；隨后發(fā)生爆炸。一級濺落時姿態(tài)良好。

（三）二級飛行/再入

二級點火啟動后與一級分離，6臺發(fā)動機開始長時間工作。

• 起飛后約9分00秒，3臺海平面型發(fā)動機關(guān)機，二級開始滑行，此時高度150千米，速度26430千米/小時；

有效載荷部署演示：起飛后16分57秒，艙門開啟；起飛后19分07秒，PEZ分配器開始部署有效載荷模擬器；起飛后約25分，有效載荷模擬器部署完畢；在此期間達到最大飛行高度192千米，速度約為26310千米/小時；

圖7 有效載荷部署演示畫面

發(fā)動機在軌二次啟動：起飛后約37分50秒，二級中心一臺猛禽發(fā)動機重啟；點火持續(xù)約3秒；

圖8 猛禽發(fā)動機在軌二次啟動

• 起飛后約45分，開始再入；從直播畫面可以看到，再入過程中，星艦尾部裙段出現(xiàn)部分破損，襟翼下方出現(xiàn)部分破損；

圖9 再入過程中星艦尾部裙段發(fā)生破損

圖10 再入過程中襟翼下方發(fā)生破損

• 起飛后約1小時6分18秒，完成翻轉(zhuǎn)機動，隨后二級3臺中心發(fā)動機進行著陸點火（Landing Burn）；

三、試飛箭

本次飛行試驗采用了超重B16和星艦S37，前者為一代超重助推級，后者為二代星艦飛船級。后續(xù)，該構(gòu)型還將進行一次飛行。

（一）超重B16

超重B16助推級的組件于2024年2月首次出現(xiàn)在星基地，其組裝工作于2024年10月16日開始，并于當年12月26日完成裝配制造，歷時71天。2025年2月28日，超重B16被送至梅西試驗場啟動低溫試驗，至6月6日成功完成靜點火試車。

表2 超重B16開展的地面試驗

（二）星艦S37

星艦S37飛船級是第五枚二代星艦，第四枚二代星艦S36在地面試驗中發(fā)生爆炸后，星艦S37被啟用，并參與本次飛行任務(wù)。

星艦S37的組件制造始于2024年11月，裝配始于2025年2月26日，至4月15日完工，歷時48天。開始在梅西試驗場進行低溫驗證，梅西因星艦S36爆炸事故進行 修復(fù)期間，SpaceX對1號發(fā)射臺進行了臨時改造適配，用于星艦S37的試車和旋啟試驗。

表3 星艦S37進行的地面試驗

四、此前故障原因及改進措施

（一）IFT-9故障原因及改進措施

2025年5月27日，超重-星艦第九次試飛（IFT-9）中，超重助推級和星艦飛船級分別發(fā)生了故障。

1、大攻角再入條件下，輸送管路結(jié)構(gòu)故障致使助推級損毀

故障情況：超重助推級完成返回點火后，采用了峰值攻角高達17度的再入飛行剖面，以充分利用氣動減速，減少回收推進劑消耗，而大攻角再入飛行剖面則是有意摸索驗證極限工況下的性能。超重助推級在海面上空約1千米處，啟動中圈和中心12臺發(fā)動機（另外1臺未能啟動），開始著陸點火，但助推級尾部很快發(fā)生爆炸。

故障原因：著陸點火失敗的最可能原因是由于大攻角試驗下，助推級結(jié)構(gòu)（特別是助推級燃料輸送管路）承受的力高于預(yù)期，致使輸送管發(fā)生了結(jié)構(gòu)故障，導致甲烷和液氧混合并發(fā)生保障。

改進措施：在后續(xù)該配置超重助推級的飛行任務(wù)中，降低助推級下降時的攻角，以降低氣動載荷。此外，SpaceX在三代超重助推級中采用尺寸與獵鷹9一子級（直徑3.66米）相當?shù)拇笮图淄檩斔凸苈?，提高承載能力和工作可靠性，并同時充當著陸點火的小貯箱。

圖11 三代超重助推級上采用大型輸送管路

2、主甲烷貯箱增壓系統(tǒng)的擴散器故障，致使星艦姿態(tài)失控

故障情況：星艦飛船級發(fā)動機點火工作約3分鐘后，傳感器檢測到鼻錐中的甲烷濃度上升；直到發(fā)動機工作5分鐘后，甲烷濃度仍在上升；同時主貯箱壓力迅速下降，鼻錐內(nèi)壓力快速上升。發(fā)動機工作期間，尚能夠補償主貯箱壓力下降，直到二級發(fā)動機關(guān)機（SECO）。星艦因鼻錐內(nèi)壓力過高而啟動鼻錐排氣，排氣過程造成姿態(tài)誤差并持續(xù)累積，故障診斷和處置系統(tǒng)因上述誤差又關(guān)閉鼻錐排氣，并利用姿控系統(tǒng)修正誤差后，又重新啟動鼻錐排氣。約40秒后，箭上攝像頭發(fā)現(xiàn)液態(tài)甲烷進入鼻錐，多個傳感器和控制器的溫度開始下降，最終觸發(fā)了自主鈍化指令，將所有剩余推進劑排放到太空。星艦以非正常姿態(tài)再入大氣層損毀，未啟動飛行終止系統(tǒng)。

故障原因：導致星艦故障的原因最有可能是主甲烷貯箱增壓系統(tǒng)的擴散器故障。箭上視頻顯示，在鼻錐內(nèi)，安裝在主甲烷貯箱前底上的擴散器罐體出現(xiàn)了明顯失效。擴散器故障導致加壓氣體擴散到鼻錐內(nèi)，使得鼻錐壓力提升及后續(xù)引發(fā)的姿態(tài)誤差；星艦姿控失控和調(diào)整的過程中，液態(tài)甲烷通過破損的擴散器滲入到鼻錐內(nèi)，觸發(fā)了鈍化指令。SpaceX根據(jù)飛行條件重現(xiàn)了故障。

圖12 星艦主燃料箱增壓系統(tǒng)擴散器

圖13 NASA為SLS重型火箭液氧貯箱研制的擴散器（LPD）

改進措施：SpaceX重新設(shè)計了擴散器，大幅降低其結(jié)構(gòu)應(yīng)變，在類似飛行載荷下循環(huán)運行，時間超過其預(yù)期使用壽命的10倍，未出現(xiàn)任何損壞。

（二）星艦S36地面試車爆炸原因及改進措施

故障情況：2025年6月18日，SpaceX在梅西試驗場準備進行星艦S36地面靜點火測試，星艦S36在推進劑加注過程中發(fā)生了爆炸。

故障原因：可能性最大的根本原因是星艦有效載荷艙段內(nèi)復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPV）出現(xiàn)無法檢測或篩查不足的損傷，該容器失效并導致火箭結(jié)構(gòu)失效，進而引發(fā)推進劑混合、起火和爆炸。該COPV為氮氣瓶，用于星艦環(huán)境控制系統(tǒng)。

改進措施：一是降低COPV的工作壓力，并在加注推進劑之前增加額外的檢測和驗證試驗；二是更新COPV氣瓶的驗收標準，并開發(fā)新的無損檢測方法來確定COPV的損傷；三是在安裝COPV時采用新的外部防護層，為其增加額外的保護，并能直觀顯示損傷。

五、超重-星艦項目未來發(fā)展計劃

（一）下一代構(gòu)型即將投入使用，且仍將繼續(xù)改進升級

SpaceX將當前狀態(tài)的超重-星艦稱為二代，目前還有星艦S38+超重B17一組二代硬件產(chǎn)品可能用于第十一次飛行試驗（IFT-11）。之后，可能會在今年底啟動三代超重-星艦的飛行試驗。超重助推器的改進主要包括：1）熱分離級改為桁架結(jié)構(gòu)，直接作為助推器上的級間結(jié)構(gòu)。2）單個柵格舵尺寸增大50%，數(shù)量從4個改為3個，同時舵上設(shè)有回收捕獲的支撐結(jié)構(gòu)；3）推進劑輸送管路尺寸大幅提升；4）換用三代猛禽發(fā)動機，底部熱防護大幅簡化。星艦飛船的主要改進主要在換用三代猛禽發(fā)動機，已經(jīng)針對此前飛行失利的故障情況的改進。與此同時，SpaceX計劃繼續(xù)改進超重-星艦，增加兩級的長度提高推進劑加注量，并為星艦飛船再增加3臺猛禽真空發(fā)動機（總數(shù)達到9臺），進一步提升運載能力。

圖14 三代超重-星艦和四代超重-星艦示意圖

（二）熱防護系統(tǒng)改進得到初步驗證，推進劑在軌加注將是下一關(guān)鍵里程碑

星艦S37采用較大熱載荷飛行剖面成功再入返回，不僅驗證當前熱防護系統(tǒng)的可行性，也為SpaceX驗證各種新型金屬熱防護隔熱瓦（包括主動冷卻方案），提供了重要數(shù)據(jù)，該公司將繼續(xù)推進完全、快速重復(fù)使用的熱防護系統(tǒng)的研制。另外，為執(zhí)行各類高軌和深空任務(wù)，SpaceX后續(xù)將加快在軌加注技術(shù)的驗證，馬斯克表示如果進展順利，最早將在2026年攻克該技術(shù)。

（三）加速擴建基礎(chǔ)設(shè)施，持續(xù)提升研制和發(fā)射能力

在生產(chǎn)制造方面，星基地的星工場建成投入使用后，能同步開展多枚超重-星艦的組件制造，見圖15；星基地和卡角的2座“超級裝配間”（Giga Bay）正在建設(shè)中，可大幅提升總裝和量產(chǎn)能力。在試驗設(shè)施方面，先是在星基地附近建設(shè)了梅西試驗場，專門用于各類地面試驗，并持續(xù)拓展其試驗?zāi)芰?；又在麥格雷戈新建?個猛禽發(fā)動機試車工位，每個工位有2個試車間，相繼在今年2月和8月投入使用。在發(fā)射設(shè)施方面，星基地的2號發(fā)射臺最早在今年底完工；東海岸SLC-37和SLC-39A工位的超重-星艦發(fā)射設(shè)施建設(shè)計劃正在進行環(huán)評，投入使用后，東海岸每年最多可執(zhí)行120次超重-星艦發(fā)射。此外，在第九次試飛后（2025年6月），SpaceX將獵鷹9項目下20%的工程師重新分配到星艦項目，旨在提高該項目的可靠性并加快研發(fā)進度。

圖15 星工廠內(nèi)部多枚超重-星艦組件同步制造

六、小結(jié)

（一）改進措施有效，超重-星艦項目研發(fā)取得關(guān)鍵突破

SpaceX持續(xù)推進超重-星艦運輸系統(tǒng)的研發(fā)工作。于2023年4月轉(zhuǎn)入全箭綜合飛行試驗（IFT）階段。2023至2024年間，利用第一代超重-星艦完成6次試飛，實現(xiàn)了助推級回收和飛船軟著陸等關(guān)鍵里程碑，初步驗證了超重-星艦系統(tǒng)方案的可行性。在IFT-6中消耗了最后一枚第一代星艦飛船后，項目向第二階段過渡。

然而，二代星艦的飛行歷程并不順利，在IFT-7/IFT-8/IFT-9試飛和IFT-10射前地面靜點火試車中分別出現(xiàn)結(jié)構(gòu)諧振、推進劑泄漏、發(fā)動機硬件故障、燃料擴散器故障、COPV氣瓶故障等問題。此次飛行成功證實了針對各項故障的改進措施是有效的，二代星艦的研發(fā)正逐步克服重重困難，取得關(guān)鍵進展。此外SpaceX對超重-星艦的改進和設(shè)計還具有前瞻性和整體性，著眼未來任務(wù)需求。如，對三代星艦的升級，增加推進劑容積，從1200噸提升至1500噸，為漫長星際旅行儲備充足“食糧”；重新設(shè)計推進系統(tǒng)，采用大型甲烷輸送管路，提高承載能力和工作可靠性，為復(fù)雜太空環(huán)境下的可靠運行筑牢根基。這些改進既解決當下問題，又為實現(xiàn)火星移民，在運載能力、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面全方位布局，推動星艦不斷邁向成熟。

（二）70天內(nèi)完成備用箭啟用，彰顯SpaceX高效研發(fā)實力

原計劃用于此次試驗的星艦S36在6月18日的靜點火試車中發(fā)生爆炸事故，不僅造成了梅西試驗場地面設(shè)施的損壞，更給星艦研發(fā)進程帶來重大挑戰(zhàn)。面對這一情況，SpaceX展現(xiàn)出強大的應(yīng)變能力。一方面，立即著手整修和升級梅西試驗場地面設(shè)施。另一方面，果斷對星基地軌道發(fā)射臺進行改造，快速將其調(diào)整為可用于星艦靜點火的平臺，讓原本因場地損毀而停滯的項目得以繼續(xù)。這種靈活應(yīng)變的舉措，有效降低了星艦S36爆炸對研發(fā)進度的影響，最終僅用70天，就實現(xiàn)了備用箭的啟用、測試、飛行。體現(xiàn)出SpaceX高效應(yīng)對意外情況的靈活性和研發(fā)實力。

（三）多渠道籌措資金，保證大型工程項目迭代的經(jīng)費需求

本次任務(wù)的意義除了技術(shù)方案得到驗證外，顯然對于SpaceX未來融資也有很大助力，這也是為什么超重-星艦項目連續(xù)遭遇3次失利后，但卻并未出現(xiàn)類似獵鷹1火箭連續(xù)失利時的破產(chǎn)危機。根據(jù)彭博社采訪的SpaceX內(nèi)部員工稱，單枚超重-星艦的成本需要數(shù)億美元，即便對于大型宇航企業(yè)，連續(xù)遭受損失也會出現(xiàn)各種危機，例如波音公司的星際飛船項目。SpaceX則是通過星鏈業(yè)務(wù)、政府合同、融資三條路徑，保證了超重-星艦這項大型工程的經(jīng)費投入。星鏈和政府合同收入都在隨著技術(shù)產(chǎn)品能力提升而快速增長，融資則充當一種應(yīng)急手段，例如SpaceX在今年7月份就嘗試以4000億美元估值進行融資，恰好處于星艦項目連續(xù)遭遇失利之后。