超重-星舰八飞失利情况分析

图1 超重-星舰二级损毁后再入

一、试验目标

本次试飞箭由超重B155（一级）和星舰S34（二级）组成。目标飞行轨迹与上一次基本相同，对一级实施捕获，二级则在印度洋溅落，并将针对上一次测试中未达到的目标进行再一次的尝试。具体包括：

• “筷子”捕获：再一次尝试超重助推级的发射、返回和捕获；
• 验证飞船级热防护系统：SpaceX专门从飞船级上取下了一些隔热瓦，并将在再入过程中有意地对襟翼施加压力，以测试飞船级的极限；
• 有效载荷部署：星舰飞船级在亚轨道释放4个与下一代“星链”卫星尺寸一致的模拟器（IFT-7原计划部署10个星链模拟器），测试舱门开合机制和卫星投放流程。这些模拟器预计在再入大气层时烧毁；
• 在轨发动机重启：在轨重新点燃星舰飞船级配备的6台猛禽发动机中的一台；
• 在轨推进剂转移：验证微重力环境下液氧/甲烷推进剂的传输技术，为月球轨道燃料补给提供数据支持。

二、试飞情况

2.1 首次尝试因故障推迟
美国中部时间2025年3月3日下午5:45（北京时间3月4日上午7:45），SpaceX进行了第一次尝试，在倒计时40秒时暂停，经过约7分钟的检查和评估后，短暂重启倒计时，但很快又再次停止，并确定取消当天的试飞计划。SpaceX表示在倒计时期间超重助推级和星舰飞船级相继出现了问题。马斯克在X上表示：“发动机地面旋启时压力比正常值低了2兆帕。”
通常，超重-星舰在约T-2分50秒完成推进剂加注后与地面设施断开连接，在接下来的几分钟内，制导系统将执行最终对准，自主飞行安全系统（AFSS）启动，推力矢量控制（TVC）进行检查。完成上述操作后时间来到约T-40秒，按照发射时序，发动机地面旋启系统（Spin Star System）启动，并达到飞行压力，同时飞船级切换到箭上电源；之后，快速断开臂（QD臂）解除锁定，为T-0后的收回做准备。SpaceX表示，即使通过了T-40秒，超重-星舰系统仍然有能力暂停发射倒计时，停留数分钟以评估是否存在技术问题，如果存在技术问题并解决后，将倒计时循环回T-40秒，继续进行倒计时和发射。这是超重-星舰独有的，猎鹰9不具备暂停发射倒计时的能力。
在3月7日发射直播中，SpaceX表示最终导致3月4日发射终止的原因是由于超重助推级外圈的2台发动机的地面旋启系统压力低于设计的最低压力。超重助推级的33台猛禽发动机依靠高压气体启动，其中外圈的20台采用地面存储的高压气体。此外，3月4日超重助推级液氧液位问题也触发了倒计时终止。经过三天的调查整改，SpaceX工程师发现导致倒计时暂停的问题中部分是由于地面保障设备（GSE）配置错误造成的，随后对其进行了调整。与此同时，SpaceX检查了超重助推级上其他导致发射倒计时终止的问题，确认火箭硬件健康；并针对飞船级上其他软硬件突发问题，将星舰飞船级从超重助推级上拆卸下来，进行了额外的检查。
2.2 发射前组装过程中的意外情况
在发射前一天，SpaceX开始对超重-星舰两级进行组装，然而该过程也并不顺利，发生了两个意外情况。
一是，在星舰飞船级与超重助推级对齐的过程中，热分离段顶部锁扣组件的滑轨弹出、掉落，见图4。

图4 超重-星舰在安装过程中掉落组件

图5 热分离段顶部锁扣组件（黑色部件可能为滑轨）

热分离段顶部有四个锁扣组件，该组件是用于辅助星舰上面级与热分离段对齐并锁紧的机构。SpaceX花了约2个小时解决了该故障。
第二个意外情况发生在用“筷子”提升飞船级时，“筷子”滑轨系统出现了明显的卡顿，经过大约一个小时的维修后，问题解除。

2.3正式飞行
美国中部时间2025年3月6日下午5:30（北京时间3月7日上午7:30），第8枚超重-星舰试飞箭从博卡奇卡星基地1号轨道发射/集成塔起飞。
（1）上升段顺利进行

• 起飞后，一级33台发动机全程正常工作；
• 起飞后约1分10秒，箭体通过最大动压（Max-Q）；
• 起飞后1分58秒，主持人表示听到“一级捕获”（Go for catch）指令；
• 起飞后2分35秒，一级按预定程序关闭30台猛禽发动机，只保留3台中心发动机继续工作，此时高度约为58千米，速度为4527千米/小时；
• 起飞后约2分41秒，二级6台发动机启动，一、二级热分离，此时高度约为63千米，速度为4426千米/小时。

• 起飞后约2分45秒，一级与二级分离后，进行姿态翻转调整飞行方向，按程序应重启中圈10台猛禽发动机，进行返回点火（Boostback Burn），朝向博卡奇卡的发射场方向飞行，但其中2台未能重启。此时高度为64千米，速度为4438千米/小时；
• 起飞后约3分39秒，一级中圈8台猛禽发动机关机。此时高度为84千米，速度为1335千米/小时；
• 起飞后4分07秒，一级中心3台发动机关机，此时高度87千米，速度1955千米/小时；
• 起飞后4分33秒，助推级排出多余液氧，以适应着陆工况；
• 起飞后5分10秒，抛掉热分离段，比原计划飞行时序推迟约1分38秒；
• 起飞后约6分35秒，按程序本应重启中心3台和中圈10台猛禽发动机，进行着陆点火（Landing Burn），但中圈1台发动机仍未正常启动，此时高度约1～2千米，速度为895千米/小时；
• 起飞后约6分40秒，一级中圈9台猛禽发动机关机，仅保留中心3台发动机工作，中圈10台工作时长约7秒。此时高度小于1千米，速度为209千米/小时；
• 起飞约7分02秒，中心3台发动机关机，一级被“筷子”接住，状态良好。

• 二级点火启动后与一级分离，6台发动机开始长时间工作，最初一切正常，直至8分05秒遥测数据显示外圈1台、中心3台发动机相继快速异常关机，随后飞船级开始不受控滚转，遥测画面数据显示推进剂快速减少，此时高度146千米，速度20215千米/小时；
• 起飞后9分09秒，第5台发动机异常关机；
• 起飞后9分27秒，最后一台发动机异常关机；此时数据显示高度为134千米，速度20398千米/小时；随后遥测信号丢失。

三、试飞箭改进及难点

本次飞行试验采用了超重B15和星舰S34。超重B15为一代超重助推级，高71米，配备33台二代猛禽发动机。于2024年6月至8月完成组装，并于2024年12月开始测试，在此次试飞前，共完成2次低温测试和1次静点火试车。星舰S34为第二枚投入使用的二代星舰飞船级，高52米，配备6台二代猛禽发动机，其中包括3台真空版猛禽。于2024年11月完成组装。2025年1月开始测试，共完成3次低温测试和1次长程静点火试车。
3.1 IFT-7后的改进
基于从1月16日进行的超重-星舰的第七次综合飞行测试中采集的数据，SpaceX对超重-星舰系统进行了改进，主要集中在两方面。
（1）一级点火器系统升级以解决发动机重启问题
IFT-7试飞中，在一、二级热分离后，一级按程序进行返回点火（Boostback Burn）以调整飞行方向，本应重启的中圈10台猛禽发动机中有一台未能重启。分析表明，故障是由于点火器系统功率过低，致使一台猛禽发动机在启动时安全终止。SpaceX称该问题通过升级点火器来解决。不过，从本次实际飞行情况看，又有2台猛禽发动机未能重启，不过并未影响超重助推级的捕获回收。
（2）二级升级改进以解决谐振问题
IFT-7试飞中，二级飞行段，6台猛禽发动机按预期点火，但在点火工作约两分钟的时间内，二级尾部真空发动机附近观察到闪光。该区域为非承压空间，位于液氧箱底部与尾部防热层之间，SpaceX称之为“空腔”（attic）。传感器检测到闪光后压力异常升高，显示发生推进剂泄漏。约两分钟后再次出现闪光，并起火持续燃烧，最终致使5台发动机关机，通信在起飞8分20秒后中断。二级解体发生在失联约3分钟的下降阶段。分析表明，安全系统在失联前已自主触发，解体符合飞行终止系统预期。事故最可能的根本原因是飞行中出现的谐振响应强度远超预期，致使推进系统硬件承受过载压力，随后推进剂泄漏超出“空腔”区域排气能力，进而引发起火和持续燃烧。作为调查的一部分，星舰在IFT-8前完成了持续60秒的静点火试车，验证了不同推力级别和三种真空发动机推进剂输送管路配置，旨在复现并解决IFT-7飞行中的谐振问题。SpaceX根据测试结果，对推进剂输送管路、推进剂温度及推力目标进行了调整。为解决“空腔”区域易起火的问题，后续的星舰飞船级加装了额外的排气口和氮气吹除系统，增强推进剂泄漏防护能力。未来星舰将改用第三代猛禽发动机（猛禽V3）后，将缩小“空腔”区域体积，进一步降低推进剂泄漏隐患。 图7 新增的排气孔
3.2 面临的难点与挑战
马斯克在近期的采访中还透露，为了实现完全重复使用，超重-星舰仍需要改进。
（1）助推级发动机和底部热防护系统的微调
助推级方面，虽然此前已成功进行了“筷子”回收，但在回收的过程中，猛禽发动机和底部热防护系统都受到了不同程度的轻微损伤，需要进行针对性的微调，目前超重助推级已接近完全快速重复使用的目标。
（2）飞船级热防护系统仍是难题
飞船级方面，目前热防护系统仍然是面临的最大技术难题，马斯克希望能通过对隔热瓦的反复快速迭代来解决。SpaceX已经在公司内部实现了隔热瓦研发和制造能力的垂直整合，掌握了从原材料供应到隔热瓦产品出厂的整个链条。马斯克表示，隔热瓦所采用的材料是由SpaceX独立研发制造的，其主要成分是玻璃和氧化铝制成的极细纤维，再加上特殊的涂层，相比航天飞机的碳-碳复合材料具有更好的轻质性和韧性。
在隔热瓦的安装工艺方面，要充分考虑隔热瓦下的不锈钢箭体结构能够自由的热胀冷缩。由于箭体在加注的超冷推进剂时会受冷收缩，这些硬质的隔热瓦之间的间隙会不断的收缩和扩张。箭体不同区域的受影响程度不同，如在低温贮箱区域，在注入零下185摄氏度的过冷液氧燃料时，再入时温度可达到约540摄氏度，极高的温度差会造成箭体的热胀冷缩。隔热瓦间隙变化可达10%～20%。此外箭体不锈钢结构在飞行过程中本身也有变形，如在上升过程中，当推力改变方向时，箭体会产生微小变形。这就意味着不能把他们紧紧的贴在一起，否则会因相互的挤压而碎裂。

四、小结

本次试飞中，超重助推级一级发动机在返回过程中两台发动机出现了重启故障，星舰飞船级在飞行阶段发生失控，多发动机异常关机，随后飞船级开始不受控滚转，最终爆炸解体。两级的情况均与上次试飞中所出现的情况高度相似，表明上次事故的根本原因可能未被完全识别，或者改进措施没有针对到问题的根源。短间隔试飞体现了SpaceX对技术路线的战略自信，但星舰飞船级接连失利表明其仍需在快速迭代与系统验证间寻求更优平衡。如果问题持续复发，可能会陷入因过度追求快速迭代而轻视航天工程复杂性的新矛盾中。
该项目于2016年公布，2019年开始原型机试验，2023年开始整箭试飞，目前八次试飞中有四次遭遇失利，并且发生了重复的连续失败。以往此类项目发生这种情况通常会终止，或者至少需要长期停飞以进行归零和整改，必要时还会对管理结构进行调整，工程也会重新评估，这会使项目成本增加。