本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：龙雪丹、杨开、王林（北京航天长征科技信息研究所），原文标题：《“超重-星舰”首次入轨飞行测试及经验教训分析》，题图来自：视觉中国
为扩大商业航天版图，实现人类太空文明的宏伟目标，伊隆·马斯克始创的SpaceX公司正致力于研发“超重-星舰”星际运输系统，2023年4月20日，“超重-星舰”取得了重要里程碑。
SpaceX在位于得克萨斯州博卡奇卡的星舰基地轨道发射台-1（OLP-1）对“超重B7+星舰S24”组合体进行了轨道试飞，对“超重-星舰”的性能及地面发射支持能力进行了一次全面的验证。SpaceX将这次飞行称为“首次全面综合飞行测试”（First Fully Integrated Flight Test），虽然火箭在起飞后约4min意外解体，但仍然取得了重大突破，“超重-星舰”全箭飞离发射台并达到39km最大高度。
马斯克第一时间在推特上祝贺试验团队，称这是一次“令人兴奋的测试发射”，并表示从中学到了很多东西。NASA局长比尔·纳尔逊也向测试团队给予祝贺，称“历史上每一项伟大的成就都要承担一定程度的风险，风险越大回报越大。期待SpaceX学到的一切，期待下一次飞行测试，以及更远的未来”。航天创新永远是机遇与风险并存，美国航空航天学会（AIAA）执行主任Dan Dumbacher表示：“这次飞行是一个重要的里程碑，将从工程数据中学到很多东西”。
本文对试飞情况进行了梳理，对该系统总体方案、研制历程、未来发射计划进行了总结，并对经验教训进行了分析。
一、首次轨道试飞及目标完成情况
（一）试验目标
综合飞行测试的目的是全面收集火箭、发动机、计算机和地面系统性能等方面数据，测试结果将用于设计模型改进。SpaceX认为，此次试验的成功与否并不以入轨为标准，而是通过在试验中取得的经验来衡量，这些经验将为快速推进“超重-星舰”的研发奠定基础。
（二）飞行试验情况
此次发射原计划在4月17日进行，但在发射前不到10min宣布，因助推器增压系统问题取消发射。马斯克称“一个加压阀似乎被冻结了”。在宣布取消发射后，SpaceX公司继续发射倒计时相关流程，直至T-00:00:40完成推进剂加注，目的是进行射前合练（WDR）。
3天后，“超重-星舰”终于迎来了正式的飞行测试。在T-00:00:40倒计时短暂中止，在解决完火箭推进剂贮箱增压问题后，又重置发射倒计时，最终在北京时间4月21日21:33，“超重B7+星舰S24”组合体从博卡奇卡的星基地轨道发射台-1（OLP-1）起飞。
起飞后直播画面显示，火箭一级33台猛禽中3台没有点火（2台位于外环，1台位于中心部分），30台持续发力。T+00:00:40，飞行高度达2km，第4台猛禽发动机失效。T+00:01:01，飞行高度达5km之际，第5台发动机失效。按照原计划，本应在T+00:00:55达到最大动压（Qmax），但星舰此时飞行速度和高度都达不到最大动压条件。直到T+00:01:18，箭体才通过Qmax。在T+00:01:40，飞行高度达14km，第6台发动机失效。T+00:01:51，飞行高度达17km，刚刚熄火的第6台发动机再次点火。
但随后一级开始排出大量白色气体，尾焰开始呈现不对称燃烧状态。发射T+00:02:20后，箭体异常旋转加快。经过3.5次圈翻滚后，2台飞行终止系统（超重B7和星舰S24各一台）发出了自毁指令，火箭最终在T+00:03:59s发生爆炸，所幸发射台未受影响。SpaceX随后承认，在上升过程中发动机发生故障，并且一二级未能在飞行终止之前按设计分离。
（三）标准测发流程
根据发射直播实况，结合SpaceX官网公布的计划飞行时序（见表1）及FAA公布的飞行试验许可文件，“超重-星舰”飞行测试的标准测发流程如下。
图3 “超重-星舰”首次轨道试飞飞行剖面图
1. 起飞前准备
SpaceX准备就绪后，T-8:28:00，治安官开始对博卡奇卡海滩及周边地区进行管控，在4号高速公路沿线的预定位置封锁道路，确保在发射期间没有未经授权人员进入。道路关闭后，SpaceX员工在发射台完成飞行前最后的检查工作。T-5:28:00从发射台撤离。在推进剂加注之前对连接到超重和星舰快速断开臂（QD）的推进剂管线进行冷却。
T-2:00:00，SpaceX发射指挥官进行发射放行投票，确定可以进行推进剂加注；T-1:39:00开始超重B7推进剂加注；T-1:22:00开始星舰S24液态甲烷加注；T-1:17:00开始星舰S24液氧加注；T-00:16:40开始对B7上的33台猛禽V2发动机预冷；在T-00:00:40，开启泄压程序。可以看到连接超重和星舰QD臂的推进剂管线排出了残留的推进剂，以最大限度地减小火箭在上升过程中对其产生的损害。
2. 起飞阶段
猛禽发动机启动程序从T-8s开始，33台猛禽V2发动机交错启动，并逐渐上升到飞行推力水平。试飞期间，发动机不以100%的推力运行，而是以约90%推力运行。B7正式成为有史以来最强大的火箭，产生大约66723kN的起飞推力。之前的纪录由苏联的N1火箭保持，它的起飞推力为45400kN。
如果倒计时和发动机点火期间运行正常，将B7固定到轨道发射架的20个压紧夹具将松开，火箭在T0时从发射台上起飞。在火箭升空时，负责为S24加注推进剂的星舰QD臂迅速断开连接，并立即摆动撤离以避免受到火箭的撞击，同时避免受到33台发动机的影响。
3.飞行与溅落
火箭在升空后约55s内经历最大动压（Qmax），即火箭经受空气动力应力峰值。升空后约2分49秒，一级主发动机关机（MECO），此时火箭处于约64km高度。在大约4s后，一二级分离。
B7在与S24分离后开始翻转机动，在升空后约3min进行返回点火，重新点燃其中间层和内层的13台发动机，持续约55s。由于超重助推级采用不锈钢制成，与法尔肯9采用的铝合金相比，具有更好的耐高温性能，因此不需要再入点火。B7在下降过程中利用4个栅格舵朝预定海域调整飞行路径，在升空后约7.5min达到跨声速飞行，约10s后最内层的3台发动机进行着陆点火，持续约23s，最终B7溅落在距得克萨斯州海岸约31km的墨西哥湾，撞击水面速度约为8.5m/s。
按照计划，在B7溅落后，如果其翻倒没有导致箭体解体，那么位于两个推进剂贮箱上的排气阀将依命令打开，让海水进入将其沉没。然而，如果上述操作失败，则会按照SpaceX向美国联邦航空局（FAA）提交的其他方案进行操作。其中一个方案是利用一艘海船和拖绳将B7进行翻转，让水通过已经打开的贮箱口进入箭体，而另一个方案是使用枪支把贮箱壁打穿孔。这个计划预计不需要，因为一旦水进入推进剂贮箱，B7就会下沉。
S24在与B7分离后滑行5s，然后二级发动机启动，燃烧持续约6分23秒。发动机关机后S24再滑行一个多小时，在此期间，剩余推进剂泄出，仅保留10t液氧和4t甲烷，以确保达到再入阶段所要求的质量。如果星舰在近10min的飞行再入阶段能够保持结构完整，S24将在火箭升空后不到1.5h内达到跨声速飞行。与B7类似，SpaceX未尝试对S24进行回收。但与其不同的是，S24也并不会进行着陆点火，并预计将在升空后大约1.5h溅落于太平洋夏威夷西北部海域。
4. 后续安排
后续工作安排将取决于试飞的结果，如果完成受控再入，那么SpaceX将尝试定位S24上配备GPS跟踪信号的数据记录器（“黑匣子”），这是安装在S24上的两个数据记录器之一。如果找到记录器，可以派遣潜水员协助搜寻。
此外，S24和B7的实时遥测数据将传输到FAA的空间数据集成器系统，FAA使用该系统来规划实时空域限制和释放。SpaceX的跟踪装置包括星基地的天线，将用于下行遥测。SpaceX将对所获数据进行详细研究，了解火箭在飞行过程中的实际表现。
二、“超重-星舰”总体方案
SpaceX“超重-星舰”采用两级构型方案，火箭全长约120m，箭体直径9m，起飞质量5000t，重复使用状态下的近地轨道（LEO）运载能力为100~150t，可运送50t载荷返回地球，一次性使用状态下的LEO运载能力达250t。
一级“超重”火箭级安装33台猛禽液氧甲烷发动机，二级“星舰”飞船级安装6台猛禽液氧甲烷发动机，其中包括3台海平面版和3台真空版，均采用过冷液氧和甲烷推进剂。全箭主体结构采用不锈钢材料，以减轻热防护压力和降低制造成本，二级“星舰”设有前部鸭翼和尾部气动舵用于再入飞行时进行气动控制，底部设有6个着陆支架用于着陆。2023年4月8日马斯克表示，二级“星舰”设计方案后续还要调整，将增加3台真空版猛禽发动机，并加长约10m。
“超重-星舰”系统为完全可重复使用运载器，其火箭级与飞船级均可回收。其中，“超重”火箭级采用垂直起降技术进行回收。而“星舰”飞船级设计采用升力式与垂直起降相结合的复用方式。
“超重”的回收方案在经过大量设计改进后，确定采用垂直起降方案返回，并利用发射架上称为“筷子”的机构捕获“超重”助推级，即超重在垂直返回接近地面时，由发射塔机械臂接住，利用超重的栅格舵来承受载荷，不再设置着陆支架。这样可以省下着陆支架的重量和成本，而且让火箭能够立即在发射台上重新就位，在不到1h后再次升空飞行。
“星舰”从轨道返回时以60°倾斜的姿态及25马赫的速度“躺着”进入大气层，利用2个鼻锥上的鸭翼和2个尾部气动舵，将尽可能最大限度地利用空气制动，精确引导下降。最终，在接近地面时将进行一次大幅机动，借助发作用控制系统（RCS）和“猛禽”发动机进行姿态翻转，从水平状态调整到垂直状态，利用垂直起降技术实现垂直降落，由发射塔机械臂捕获和回收。
三、研制历程
SpaceX星际运输系统（ITS）的概念是伊隆·马斯克于2012年首次提出的，旨在建造一个完全可重复使用的两级火箭系统，并于21世纪二三十年代间将人类送上火星，该系统的运载能力大大超过法尔肯9和法尔肯重型火箭。在经过多次的设计和名称的演变后，最终呈现为目前的“超重-星舰”。2013年，马斯克还表示在该系统投入运营后，SpaceX可能会考虑上市（IPO）。2019年，马斯克透露该项目的总开发成本在20亿~100亿美元之间。
在“超重-星舰”的研制过程中，SpaceX采用快速迭代的研制模式，利用多型原型机进行快速分阶段验证，验证设计概念和方案的可行性，研制历程见图5。
“星舰”飞船方面，SpaceX先后研制了3个系列的验证机，包括试飞样机“跳虫”、全尺寸原型样机MK系列和SN系列。针对每一型验证机，SpaceX都会开展一系列试验，采用先地面、后飞行的步骤，依次开展试验验证。飞行试验包括3个阶段，分别是：第一阶段，低空飞行试验，飞行高度约150m；第二阶段，高空飞行试验，飞行高度约10km；第三阶段，轨道级试飞。在2019年7月至2021年5月期间，8架星舰原型机实现了飞行试验，每架都有不同的配置。
“超重”火箭级方面，则一直基于星舰的试验数据进行系统的设计改进。直至2021年3月，首架超重原型机完成制造。2021年8月，星基地的迭代开发工作集中在“超重-星舰”系统的首次轨道试飞上。
四、未来发射计划
此次试飞后，SpaceX还将利用原型机开展一系列试飞任务，目前暂定第二和第三次试飞任务所用的“星舰”飞船原型机分别为“B9+S26”和“B10+S27”。其中，S27带有发射卫星的释放装置，因此推测它有可能搭载“星链”卫星。这两次任务将与首飞任务相同，不进行回收。
此后，还需要进一步对进入轨道能力、猛禽发动机重启能力、离轨燃烧能力、有效载荷部署能力、回收方案以及在轨推进剂加注技术进行测试。
“超重-星舰”的早期发射任务将主要为“二代星链”卫星发射任务，将利用在任务中积累的数据和经验进一步支撑系统设计和操作的改进。按照SpaceX公司的最初计划，“超重-星舰”在进行载人发射之前会进行数百次发射。目前“超重-星舰”已知发射计划有10次（具体见表3），主要包括1次卫星发射任务，1次月球车发射任务，3次商业载人飞行任务，3次NASA阿尔忒弥斯计划下的发射，以及2次SpaceX火星探测任务。任务极具多样性，目标覆盖地球轨道、月球轨道及火星轨道。
根据马斯克的火星殖民设想，最终每26个月可能需要1000多艘“星舰”前往火星，帮助人类在50~100年内建成可持续发展的火星城市。
五、应用前景分析
“超重-星舰”可以实现超大型有效载荷的发射，并计划未来通过在轨燃料加注等技术实现月球乃至火星等深空探测任务。在“星舰”方案逐渐成熟的过程中，SpaceX不断拓宽“超重-星舰”的应用场景。
（一）服务“阿尔忒弥斯计划”，助力美国载人深空探索活动
为借助商业力量发展深空探索能力，支持地月空间甚至更远范围的载人航天飞行活动，NASA面向美国工业界发布了“未来空间探索技术伙伴关系”计划，在此计划下开发商业载人月球着陆器。2020年，SpaceX、蓝源、Dynetics公司的3个团队获得了总价值9.67亿美元合同（其中SpaceX获得1.35亿美元），用于开展载人月球着陆器方案研究。
经过一年的方案研究和竞争后，SpaceX在2021年从NASA赢得价值28.9亿美元的“载人着陆系统”（HLS）计划选择权A（OptionA）合同，“星舰”成为NASA月球着陆器唯一中标方案，同时获得一次载人演示验证任务。按照NASA规划，SpaceX的“星舰”承担在月球轨道与月面之间运输乘员的任务。不过，“超重-星舰”还面临在轨加注等关键技术难题，相比传统载人登月系统，在任务模式上还有很多技术问题需要解决。
图7 “阿尔忒弥斯”探月任务规划
（二）加快“二代星链”星座部署
为了提升网络覆盖，满足偏远地区和军方用户的需求，SpaceX正在构建其“二代星链”星座，同时，为进一步加深与美国军方的合作，SpaceX还推出基于星链平台的“星盾”服务，将为军方提供具备覆盖全球的实时卫星图像数据和可靠的全球互联互通，并可作为各类军事载荷的搭载平台。
“星链”星座包括4408颗一代星链和7500颗二代星链卫星，目前在轨卫星数量已超过3500颗。按照FAA的要求，在2031年前，SpaceX应完成二代星链的部署。然而二代星链卫星的规模比一代星链尺寸大得多，它长7m，是一代星链卫星的2倍，质量1.25t，是一代星链的5倍，利用法尔肯9进行发射每次只能发射21颗。因此如果仅利用法尔肯9进行发射，只有保证每年发射50次以上才能实现。
而“超重-星舰”具有更强的运载能力和更大的容积，单次可发射110~120颗二代星链，相当于一次完成一个轨道面部署。因此，SpaceX计划利用“超重-星舰”联合法尔肯9火箭共同完成“二代星链”星座的部署任务，为二代星链星座的建设提速。该项目很可能会对未来的太空安全走势产生重大影响。
（三）打造1h全球达“点对点”运输系统，支撑军事物资/人员快速投递
除了对轨道发射市场的影响之外，“超重-星舰”还计划在地球上实现一种全新的商业点对点运输能力，有望以极短的时间（通常不到90min）将乘客或货物运送到地球上任何合适的着陆点。2020年，美国军事运输司令部与SpaceX和探索架构公司（XArc）建立了合作伙伴关系，在无偿协议下，SpaceX研究利用“超重-星舰”系统在1h内将紧急军用物资运送到世界任何地方的可行性。
2022年初，SpaceX得到美国空军价值1.02亿美元的“火箭货运”合同，旨在验证利用重型重复使用火箭实现100吨级军用物资的全球1h快速投送。该能力很可能会对作战后勤补给产生颠覆性影响，在快速响应运输、应对突发事件、长期在轨驻留等方面具有广阔的军事应用前景。此外，还可以利用“超重-星舰”的登月架构通过为物流和加油提供在轨基础设施来支持美国军方，实现动态空间操作和卫星机动之类的操作。
（四）发射大型空间设施及载荷，大幅拓展空间探索及空间利用水平
标准的星舰整流罩的有效载荷包络线直径8m、高22m，是目前或尚在开发中的航天运载器中体积最大的，大翻盖式外壳可容纳大型空间载荷，能够一次性部署整个卫星星座。例如，NASA戈达德太空飞行中心就曾提出利用“超重-星舰”发射其下一代大型太空望远镜——LUVOIR。
六、经验教训分析
（一）猛禽发动机可靠性有待提高
此次飞行过程中多台猛禽发动机失效，起飞时3台，随后逐渐增加，最多时达到6台，暴露出发动机技术不成熟的问题。在此次发射前，SpaceX对发动机进行的最后一次联合静点火试车中也发生过类似现象，当时一级33台发动机只点燃了31台，在故障排除后，未再组织联合静点火试车，没有对故障排除逻辑进行验证，在此情况下，SpaceX就推进了飞行试验。警示我们发动机是设计、生产、试验等各个环节的重中之重，其质量和可靠性需引起高度关注，应确保动力系统的测试充分、覆盖全面、裕度掌握合理，以规避风险。
（二）平衡多发动机并联的冗余重构能力与可靠性
关于此次试飞爆炸有很多猜想，有一种将失败归因于“超重-星舰”采用的多发动机并联技术。“超重-星舰”一级采用33台猛禽发动机，类似苏联N-1火箭一级并联30台NK-33发动机的构型。如果仅仅是多发动机并联，而不具备冗余重构能力，或者允许的故障发动机数量少，整机可靠性随并联数量快速下降，而且多机并联会引起更恶劣的振动和热环境。N-1火箭的故障冗余能力较为有限，仅允许两对对称布局的NK-33发动机出现故障，而且发动机之间的爆炸故障不能隔离，单台爆炸后几乎无法继续飞行。
相比而言，“超重-星舰”首飞中出现故障的6台发动机位置相对随机，仍能继续飞行，无论是允许的故障发动机数量，还是允许故障发动机的位置，相比N-1有很大提升。尽管如此，“超重-星舰”还是因为发动机故障导致飞行剖面与计划剖面产生很大差异，说明发动机并联数量还要尽可能做到平衡，既能够做到一定的冗余重构能力，也不能过于降低整机可靠性。
（三）地面设施保护不到位
从现场视频中可以看到，火箭起飞瞬间产生了巨大的冲击波和大量碎片，造成了发射台周围设施的损坏，其中最明显的是位于发射台附近的油罐区燃料储罐受外力损害导致箱体凹陷，见图9。警示我们，地面设施尤其是发射台附近设施工作环境严酷，涉及高低温交变应力及高温冲击等一系列强交联因素，有必要进行充分的防护。
（四）以强大的批产制造能力支撑小步快跑的快速迭代
“超重-星舰”继承了法尔肯9的快速迭代研发理念，利用多次“设计-建造-测试”的循环流程及时为设计提供系统实测数据，实现快速的、小型的迭代，摒除了传统系统工程中过于关注测试的全面性，不能反复的缺点。“超重-星舰”验证机从“星跳号”到S+N系列共制造了25架，其中尚未使用就被技术淘汰的原型机就有11架。另据不完全统计，在“猛禽”研发测试过程中炸毁的发动机数量约为20~30台，烧熔的燃烧室超过50个。支撑上述快速迭代的基础就在于SpaceX拥有强大的批产制造能力，“猛禽”发动机的产量已达一周7台，“星舰”原型机的制造速度则已达到每2~3周一架。
（五）尊重科学规律、宽容地看待失败
此次任务很好地诠释了马斯克“成功的失败”（successful failure）的逻辑，SpaceX在项目研发中始终遵循该逻辑。从验证法尔肯9复用的“蚱蜢”验证机回收试验，到现在的“超重-星舰”原型机试飞，SpaceX注重开展飞行条件下的试验，虽然在此过程中经历了多次重大失利，但所获得的数据和经验更加宝贵。
正如业内专家所说，与其将此次火箭试飞爆炸视为挫折，不如去看它对加速火箭开发的重要作用。包括马斯克在内的SpaceX高管都对这次试飞表示赞赏，因为它实现了火箭离开发射场的主要目标，仅此一点就可以认为此次试飞是成功的，同时还获得了能够推动火箭研发的大量数据。南加州大学航天工程教授兼SpaceX顾问加勒特赖斯曼说，此次试飞是SpaceX的一个战略标志，正是这种“在失败后果很低的情况下接受失败”的战略，使SpaceX公司与传统航空航天公司甚至NASA区分开来。
期刊简介：《中国航天》（CN11-2801/V，ISSN1002-7742）创刊于1978年，月刊，由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天系统科学与工程研究院（中国航天十二院）主办，是航天领域具有较大影响力的权威综合性科技期刊。期刊曾获全国优秀期刊二等奖、三等奖各一次，航天科技期刊一等奖4次，中国期刊方阵“双百”期刊等奖项。
本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：龙雪丹、杨开、王林（北京航天长征科技信息研究所）