星舰第五次轨道级飞行试验分析

1.概述

北京时间2024年10月13日晚，SpaceX（太空探索技术公司）进行了激动人心的星舰第五次飞行试验（IFT-5），IFT-5成功对超重助推器进行了回收，结果振奋人心。

星际荣耀公司相关专业人员对飞行试验准备工作、飞行试验实际情况以及飞行试验中出现的特殊情况进行归纳整理、分析与总结，详见下文。

2.飞行回顾

星舰于北京时间2023年4月20日首飞，由于起飞过程中超重助推器有部分发动机无法正常工作，火箭自毁。在同年11月进行的第二次飞行试验中，尽管星舰成功实现了热分离，最终还是以自毁结束。随后在2024年3月的第三次飞行试验中，星舰飞船首次达到预定轨道，并对载荷舱舱门以及推进剂转移项目进行了测试，飞行试验取得部分成功。

星舰第四次飞行测试于北京时间2024年6月6日晚进行，超重助推器和星舰飞船都成功完成了软溅落，但再入过程中星舰飞船S29的其中一个前襟翼严重损坏。

下表为星舰历次飞行试验小结。

表1 星舰历次飞行试验小结

事后，6月12日，美国联邦航空局（FAA）得出结论，他们不需要对第四次飞行测试进行事故调查：“美国联邦航空局评估了SpaceX星舰第四次飞行任务的运行情况。星舰飞船和超重助推器的所有飞行事件似乎都发生在计划和授权的活动范围内。”

本次试验达成了多项成就：

• 尽管一台猛禽发动机未能成功点火，超重助推器仍成功完成海上溅落；

• 星舰飞船首次成功通过了大气层再入，尽管再入过程中一个前翼因高温受损，飞船仍可控制，并顺利完成了“翻转和点火”机动。这一成就展示了SpaceX在热防护系统和姿态控制方面的进步。

2024年9月22日，马斯克分享了一张从海中打捞出的超重助推器B11的含有部分发动机的照片，用来评估发动机的状态。

图1 打捞出的B11残骸

2024年10月10日，Jeff Foust（著名网站SpaceNews编辑）在个人社交媒体上提到：“今天，SpaceX公司的比尔·格斯顿迈尔（Bill Gerstenmaier）在一场委员会会议上发表了一些评论。他表示，之前的超重型火箭以半厘米的精度”落入海洋，这为即将到来的接力尝试带来了信心。”

图2 评论（左）以及精度可视化（右图标点处）

3.第五次飞行情况

本章节主要介绍2024年10月13日第五次飞行试验的基本情况，包括飞行产品状态、理论飞行流程以及飞行试验的目的与亮点。

3.1 飞行产品状态

本次飞行使用的一二级组合为超重助推器B12以及星舰飞船S30。

针对第四次飞行试验出现的问题，SpaceX星舰团队对本次飞行试验中的飞行产品进行了一系列优化改进。

3.1.1 超重助推器改进

3.1.1.1 通信与天线

SpaceX对超重助推器上用于保护气瓶的长排罩上的Starlink终端进行了重新设计，采用了方形的新方案，原方案为圆形。改进的目的猜测为与超重助推器上的其他终端接口进行统一。

3.1.1.2 防热底板

超重助推器B11发动机防热底板边缘的黑色材料疑似为喷漆，由图5可知，在静态点火之后（B11图片时间为2024年4月7日），漆面局部剥蚀，露出防热底板。在超重助推器B12黑色喷漆被替换为单层不锈钢钢板围挡，防热大底处可见防热底板及不锈钢板连接痕迹，推测不锈钢围挡对超重型的复用流程起到优化作用，避免重复喷漆。

3.1.1.3 结构设计

在超重助推器B12的两个稳定点上，每个稳定点的两侧都增加了6个新的加强筋，每一侧增加了3个。这些新增的加强筋可能是为了提高结构稳定性和强度，特别是在稳定臂锁定到助推器位置。

在捕获超重助推器时，需要对机械臂的夹角进行调整，由张开转为收拢状态。在此期间，助推器与机械臂的间距不统一，可能会出现碰撞。

这项改动可能是因为在第四次飞行试验后，助推器B14.1在机械臂测试后，稳定点附近出现裂缝。为确保后续助推器能够顺利执行回收任务，SpaceX对该处结构进行补强。

3.1.1.4 飞行终止系统

超重助推器（编号B12）的液氧贮箱上新增了一个飞行终止系统（FTS-Flight Termination System），位于液甲烷输送管的横向支撑附近，一并增加的还有一个护罩。

3.1.2 星舰飞船改进

3.1.2.1 贮箱压力控制

S30的两个贮箱上方部段均增加了一个新的排气口，阀门也可能因此采用了新设计或布局。

此处可能是为了提高安全性或功能性而进行的改进。例如，可能是为了更好地控制放气过程，防止过度排放或意外泄漏，或者是作为排气系统的一部分，以防止贮箱因温度变化或在操作过程中出现压力过高的现象。

3.1.2.2 通信与天线

星舰飞船S30鼻锥上的小金天线已被拆除并更换为隔热瓦。这些天线曾是S30鼻锥上一个非常突出的特征。

天线右侧的焊缝现在也不存在，这可能表明这些焊缝与天线有关，可能是天线的终端或者是接收器支架，天线取消后，这些支架也一并取消。

这些天线现在被集成在载荷舱部分，并且仍然被隔热瓦覆盖。这样的设计改动可能是为了加强对天线的防护，避免飞行过程中在最大动压段被气动力热条件所破坏。此外，由于天线位于隔热层下方，飞船组装完成后可以保持完整的流线型气动外形，这种设计可以减少空气阻力，同时避免了外部凸起物引起的恶劣热环境。

这种新设计与超重助推器级间段处相同，因此这可能是两个部段之间的统一设计，以简化结构。根据某社交网站上的用户提供的信息，可以佐证以上猜想。

图12 网友的相关回复

3.1.2.3 热防护系统

针对第四次飞行测试中暴露的重返大气层问题后，SpaceX对S30的热防护系统进行了多项关键改进，包括更换了更坚固的新型隔热瓦、增加了烧蚀保护层以及在隔热瓦下方加入了一层薄毡。这些措施部分借鉴了Block 2版本星舰的设计。

Elon Musk提到，S29的后部使用的双层烧蚀材料在第四次测试中成功抵御了高温侵蚀，这也促使SpaceX在S30的中央部分和翼片等关键部位增加了类似的升级，以增强其重返大气层时的耐热能力，据推测新的隔热瓦的强度是之前的2倍左右。

此外，SpaceX还更换了隔热瓦