本文来自微信公众号：中国宇航学会（ID：CSAsince1979），作者：樊晨霄、朱海洋、陈晓飞、魏威、顾名坤等（北京宇航系统工程研究所），原文标题：《宇航学报·预出版 | SpaceX公司超重-星舰组合体首飞异常情况初步分析》，题图来自：视觉中国
北京时间2023年4月20日，美国太空探索技术（SpaceX）公司发射其超重推进级﹣星舰飞船组合体飞行试验任务。组合体点火起飞后，多台发动机在飞行中出现工作异常，速度、高度严重偏离飞行剖面，飞行约239s后，箭体爆炸解体。该组合体是世界首型两级完全重复使用重型运载火箭，全箭高度119m，起飞质量约5000t。
此次任务是星舰﹣超重首次轨道级试射。SpaceX公司事前表示，本次飞行试验的成功与否并不以入轨为标准，其目的主要为验证全箭技术方案，针对星舰再入飞行复杂气动热、控制等关键技术难题，获取无法通过地面试验和仿真得到的数据，为后续改进设计提供支撑。
本文旨在从技术角度对组合体首飞中出现的异常情况进行初步分析。
一、总体方案及研制历程
1. 超重-星舰总体技术方案
超重﹣星舰由超重推进级（Super Heavy Booster）和星舰飞船（Starship）组成，为两级完全可重复使用运载器，名义直径9m，高度约119m，全箭起飞质量约5000t，最大起飞推力7260t。其中超重推进级，高度69m，总重约3400t，结构干重约250t，使用低温液氧/甲烷作为推进剂。星舰飞船为可重复使用的入轨级，高度50m，总重约1200t，结构干重约125t，可实施在轨加注。
超重﹣星舰规模远超土星五号火箭，起飞重量约为后者的1.7倍，依据SpaceX官网公布数值，其完全重复使用时LEO运载能力为150t，一次性使用时LEO运载能力250t，如研制成功，将成为有史以来性能最强大的可重复使用运载火箭。
超重推进级高69m，依照最新公布的2023年首飞构型，由33台猛禽发动机提供动力。中圈10台发动机和内圈3台发动机可十字摆动（摇摆±15°），外圈20台发动机固定不摇摆。星舰飞船高约50米，由6台猛禽发动机提供动力，外圈3台为真空版猛禽发动机，内圈3台为海平面版猛禽发动机。猛禽发动机为全流量补燃循环液氧甲烷发动机，分为海平面版（尾喷口直径1.3m）和真空版（尾喷口直径2.4m），室压30MPa，自重1.5t左右。海平面发动机为摆动式喷管，最大推力220t，比冲330s左右；真空发动机为固定喷管，最大真空推力350t，比冲382s。
2. 研制历程
SpaceX星际运输系统（ITS）的概念是伊隆·马斯克（Elon Musk）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，在本世纪20至30年代间将人类送上火星，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-星舰方案。
星舰飞船方面，SpaceX先后研制了三个系列的验证机，包括试飞样机“星虫”（低空飞行试验）、全尺寸原型样机MK系列（低空飞行试验）和SN系列（低空及高空飞行试验）。
超重推进级方面，则一直基于星舰飞船的试验数据进行系统的设计改进。2021年3月，首台超重推进级原型机完成制造。2021年8月起，SpaceX公司将工作重点集中在超重-星舰系统的迭代研发及首次轨道试飞上。
超重-星舰系统级试验验证自2019年开始，截至此次首飞前共历时52个月，可划分为4个主要阶段。
二、首飞异常情况分析
1. 首飞理论任务参数及分析
首飞前，SpaceX公司公布了本次试验的任务剖面，如图4所示。
超重-星舰在升空后约55s内经历最大动压（Max-Q），即火箭经受空气动力应力峰值。升空后约169s，一级主发动机关机，此时火箭处于约64km高度。在大约4s后，一二级分离。
超重推进级B7在与星舰飞船S24分离后开始调姿机动，最大飞行高度接近120km，在升空后约191s开始返回点火，重新点燃其中圈和内圈的13台发动机，持续约55s。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，最后着陆前通过内圈三台发动机点火减速，持续约23s，计划将以垂直姿态溅落在距德克萨斯州海岸约31km的墨西哥湾，着陆前速度约为8.5m/s。溅落后，将打开推进剂贮箱上的排气阀，让海水进入贮箱并将其沉没。
星舰飞船S24在与超重推进级B7分离后滑行5s，发动机启动并工作约503s。发动机关机后S24开始滑行，进入远地点为241km、近地点为数十公里的亚轨道。在此期间，S24还将泄出剩余推进剂，仅保留约10t液氧和4t甲烷，以确保达到再入阶段所要求的质量。与B7返回段不同的是，S24着陆前不再进行发动机点火动力减速，将直接以大攻角状态再入溅落于太平洋夏威夷西北部海域。
结合射前官方公布的结构质量、推进剂加注量、飞行时序等数据，对本次任务的理论弹道进行了反设计。复现的弹道结果见图5。通过对其首飞构型以及任务剖面进行弹道预示和总体参数回归分析，认为SpaceX公司官方给出的关于超重星舰的总体参数、运载能力等基本符合事实。
2. 异常事件梳理
4月20日超重-星舰再次进入发射流程后，在射前-40s由于推进剂贮箱增压问题，射前流程暂停。经过紧急排故检查，重新进入-40s流程。点火起飞后，遥测数据显示有3台发动机未工作。在上升过程中，发动机喷流多次出现爆燃情况，并且有更多发动机工作异常，整体速度、高度均远远低于公布的理论情况，飞行至169s时，没有按照既定程序执行级间分离动作，本次飞行达到的最大速度约为599m/s（148s），最大高度约为39km（200s），飞行约239s后，飞行高度跌落至29km附近，箭体爆炸解体。
超重-星舰首飞主要异常事件梳理见表2。
3. 主要系统工作情况及典型过程分析
起飞漂移分析
超重-星舰在起飞过程中箭体姿态倾斜明显，火箭在远离塔架方向的起飞漂移量较大。通过分析认为，超重-星舰在起飞出塔过程中，施加了远离塔架方向的程序角，主动对起飞漂移量进行控制，目的在于提升起飞出塔安全性，当火箭飞出塔架后将程序角回正。
动力系统分析
超重推进级动力系统配置33台猛禽2发动机，其中外圈20台为固定发动机，内圈及中圈13台为摇摆发动机，发动机具备推力调节能力（40%~100%）。从飞行视频中给出的遥测信息看，超重-星舰点火时有3台发动机未正常起动，由其余30台发动机助推星舰起飞。此后，动力系统连续出现异常现象，包括异常闪光、爆燃、喷流异常、推力丧失等情况。
特别是飞行至90s左右，疑似出现推进剂泄漏，至115s时，结合飞行视频中的遥测信息反算超重推进级剩余推进剂的混合比（氧化剂与燃烧剂质量之比，一般较为稳定）如图6所示，剩余推进剂的混合比发生明显变化，表明在飞行过程中液氧消耗过快，初步判断液氧可能出现泄漏。
在80~90s左右，如图7显示，除了因故障而停止工作的6台发动机外，另外一台中心发动机和一台外圈发动机喷口火焰亮度也明显偏弱，初步判断这两台发动机也工作在远离额定状态的低推力工况。116s火箭尾部靠上方部位有横向火焰喷出，在125s，发动机尾部火焰突然扩大，推测出现爆炸。
值得注意的是，经分析认为本次任务中官方视频的遥测火箭状态信息不准确，未能体现发动机工作的实际情况。
综合上述分析，超重-星舰首飞过程中，超重推进级动力系统出现的异常现象较多，多台猛禽-2发动机相继出现故障，是导致首飞失利的直接原因。
弹道数据分析
以官方发布的视频图像、发动机状态数据、速度高度数据、姿态角数据为依据，对首飞弹道进行了初步复现。考虑到发动机状态数据有失真情况，优先采信视频图像数据，在无视频图像时采信视频发动机状态数据。根据视频姿态角数据，通过调节推力工况，实现速度高度数据的拟合。
经分析，超重-星舰起飞推重比约为1.23。对比通过视频抓取的弹道和计算复现得到弹道速度-高度结果，发现两者吻合较好；通过弹道复现得到过载数据，32s后，计算复现弹道过载出现小幅下降，47s后，计算复现弹道过载出现大幅下降。
根据计算复现弹道结果，发动机失效台数和推力节流系数见下表，造成推力下降的原因可能为动力系统故障。
结合上述分析，超重推进级工作过程中存在发动机按程序节流飞行的工况（主要目的是降低飞行载荷，基本同猎鹰9火箭方案），在本次飞行过程中，尽管部分发动机出现了故障，丧失了推力，但节流过程仍按照标准程序进行，推测未针对推力下降故障实施推力在线智能调节。
姿控能力分析
超重推进级配置33台猛禽发动机，其中中圈10台和内圈3台可通过伺服机构控制发动机喷管摇摆产生控制力，用于姿态控制，外圈20台固定安装，不参与控制。从飞行视频可以看出，在起飞后0s~120s内姿态较为稳定，控制力足够，姿态稳定控制回路功能正常。在129s左右箭体姿态开始逐渐发散，从视频中明显可以看出姿态出现大范围翻转，姿态控制功能异常。
依据飞行地面光学测量显示，在飞行至80~90s时，通过图7可推测部分发动机失效，并产生干扰力矩，经计算需要剩余可摆动的11台发动机摆动约1°，即可抵消至少8台发动机失效带来的干扰。这是因为可摆动发动机的力臂要远大于固定发动机产生干扰力的力臂，初步估算摆动发动机控制力臂是固定发动机的10倍。因此可以推断，如果伺服机构、剩余发动机等其它系统工作正常，且在不存在其它异常干扰情况下，火箭的姿态控制能力是足够的，箭体姿态不应产生发散。
基于上述分析，推测导致姿态发散是由两个原因引起：
（1）部分摆动伺服机构功能失效
超重-星舰伺服机构采用发动机引流作为驱动能源，驱动13台摇摆发动机作动。发动机失效可能造成伺服机构能源不足，导致部分摆动伺服机构功能失效，此外也存在发动机异常工作引起伺服机构控制电路失效导致伺服工作异常的模式，从而无法有效提供箭体姿态稳定所需控制力，造成箭体姿态失稳发散。
（2）存在较大的异常干扰
由发射视频可以看出，超重推进级尾部存在多个异常方向的喷流，可能对箭体姿态控制带来较大的干扰力，造成姿态失稳。
地面环境分析
超重-星舰系统采用无导流槽发射工位，通过25m高的发射台来避免发射时高速射流可能带来的破坏。马斯克称，基于工程进度原因以及对前期静态点火结果的分析，决定本次发射发射台不加装喷水降噪系统。
通过任务过程实时视频以及射后照片分析，超重-星舰起飞时喷射的高速射流直接破坏了发射台台底的水泥基座，部分石块甚至飞到几百米外的海面上，而飞起的碎片也使得发射台附近的燃料罐、吊车和转播车等受到不同程度的破坏。此外，在发射后发现星舰飞船的部分隔热瓦散落在发射基地附近。
综合上述分析，超重-星舰作为世界上起飞推力最大的火箭，在起飞过程中因发动机高温高速喷流引起的力、热、噪声环境极其恶劣，可能是造成点火时部分发动机未能正常工作的原因。
三、首飞焦点问题延伸分析
1. 超重-星舰点火后起飞放行准则分析
初步分析：动力系统故障是火箭发射故障的主要模式，作为世界上最大规模的运载火箭，超重﹣星舰首次应用大推力全流量补燃液氧甲烷发动机，在首飞前存在较大的动力系统故障风险。基于此，马斯克在超重推进级原有29台发动机的基础上，又将发动机数量增加为33台，形成了当前首飞状态。
因此超重﹣星舰在设计之初即留有较为充足的动力裕度，理论最大起飞推重比可达1.5以上，可以适应部分发动机故障带来的推力损失。根据射前官方公布的结构质量、推进剂加注量、飞行时序等数据，并对首飞过程相关数据进行分析，其实际起飞推重比约为1.23，基本满足达到本次飞行任务弹道剖面的要求，对主要试验目的完成考核。
2. 发生故障后星舰飞船未分离现象分析
SpaceX公司的猎鹰9火箭具备飞行故障诊断和处置能力，曾至少2次在飞行试验任务中关闭故障发动机并完成弹道重规划，最终实现准确入轨，证明SpaceX公司初步掌握了飞行故障诊断与在线处置技术，据此推断超重-星舰应具备一定的故障在线处置能力，可应对首飞过程中可能出现的各类故障，从而尽可能实现考核星舰飞船飞行等基本试验的目的。
初步分析：超重-星舰动力系统和控制系统相对猎鹰9火箭的规模和复杂度大幅提升，在飞行过程中出现的故障模式及其组合更为多样，可能存在故障模式识别不全面的情况，同时也对故障诊断处置系统的软硬件提出了更为严苛的要求，软硬件水平无法支撑在线有效处置的需求，最终导致在线故障处置能力存在缺陷。此外，不排除因控制系统、动力系统等出现故障导致无法进行飞行故障处置的情况。从而未达到星舰飞船分离的条件。
3. 发射日期选择情况分析
超重-星舰作为世界最大的运载火箭，其起飞的噪声环境、热环境、振动条件异常严酷和复杂。
初步分析：首飞后马斯克称，在本年度2月份的地面静态点火试验中，发射台成功经受住了31台发动机50%推力状态20秒的试验考核，其发射台被破坏程度较小，并且在首飞前，特地通过加装钢板等操作，进一步加固了发射台。研制团队认为当前状态的发射台可以承受至少一次飞行试验带来的力热冲击，因此决定在不安装水冷钢板等加强防护设施的条件下进行首飞试验。
关于发射日期的选取，据网上信息，数字“420”对马斯克本人有特殊意义。在其钟爱的《银河系漫游指南》一书中，42是关于生命及宇宙的终极答案。此外，马斯克也经常把自己的活动和数字“420”挂钩，如2018年马斯克就曾提出以每股420美元的价格将特斯拉公司私有化。由于SpaceX公司中，马斯克对各项活动具有绝对话语权，因此不排除本次发射的选择与马斯克个人意愿有直接关系。
四、总结
本次试验是SpaceX公司大胆创新、快速迭代理念的最新体现，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·纳尔逊也向试验团队给予祝贺，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”。
通过对任务情况进行分析，初步判断动力系统故障是本次飞行任务失利的直接原因。结合任务试验目的，本次试验实现了对超重推进级的部分考核，但由于未能针对推力下降等故障进行在线智能处置，最终未实现对星舰飞船的轨道级飞行考核。
本篇稿件将在《宇航学报》2023年第5期正式出版，版权由原作者与《宇航学报》编辑部共同所有，未经许可不得转载。本文与正式出版版本略有不同。
本文来自微信公众号：中国宇航学会（ID：CSAsince1979），作者：樊晨霄、朱海洋、陈晓飞、魏威、顾名坤等（北京宇航系统工程研究所）