航天科技发表论文评星舰第三次试飞

2024年3月14日,在SpaceX成立22周年纪念日当天,美国得克萨斯州博卡奇卡星基地迎来了超重-星舰的第三次综合飞行测试(IFT-3)。此次试飞中超重B10/星舰S28组合体按计划进行了飞行,虽然未能实现全部试验目标,但较前两次试飞有了显著的进步,首次达到了入轨速度,飞船级在轨进行了有效载荷舱门的开关试验、推进剂转移试验,收获了重要试验数据。标志着SpaceX超重-星舰项目向前迈进了坚实的一步。同时本次试验对于NASA的阿尔忒弥斯计划也至关重要。

事后,美国联邦航空管理局(FAA)发表声明,按照四级故障标准将此次发射结果定义为“故障”(Mishap,影响仅高于“异常”(Anomaly)),并将监督SpaceX对故障进行调查,以确保该公司遵守FAA批准的事故调查计划和其他监管要求。

一、试飞及目标完成情况

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(一)试验目标

此次试飞的飞行路径设计与前两次有所不同,前两次飞行要求星舰飞船级在升空约90分钟后于夏威夷附近的太平洋溅落。而此次星舰飞船级则将飞行65分钟后于印度洋溅落,预定飞行时序见表1。并计划在在轨状态下,对三种技术进行测试,包括:

▲测试有效载荷舱门的开启和关闭;

▲验证头部贮箱到主贮箱的推进剂转移;

▲尝试发动机在轨重启。

其中在轨推进剂转移是为了演示SpaceX在“临界点”技术研发合同下负责研究的低温推进剂传输技术,该技术将用于星舰载人月球着陆器。测试中,SpaceX将把推进剂从星舰内的头部小贮箱转移到其主贮箱,为未来执行深空任务时将推进剂从加油船转移到星舰飞船打下基础。

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↑表1  超重-星舰第三次试飞飞行时序及实际飞行情况

(二)试验情况

2023年11月第二次试飞失败后,马斯克曾计划在2024年1月进行第三次试飞,但由于对第二次试飞调查和重新获得美国联邦航空管理局(FAA)飞行许可证的进度问题,最终试飞时间定于3月14日。而FAA的飞行许可证在发射前一天才发布。

发射当天,由于有船舶进入近海限制水域,导致发射推迟了近一个半小时。SpaceX在倒计时期间没有报告任何技术问题。最终超重B10/星舰S28组合体于美国东部时间2024年3月14日上午9点25分(北京时间2024年3月14日21点25分)从星基地升空。

上升过程中,B10的33台猛禽发动机正常启动,起飞后2分49秒,一二级进行了热分离,此时火箭高度72千米,速度为5662千米/小时。随后,B10进行了返回点火和着陆点火,试图在墨西哥湾垂直返回海上溅落,但B10在着陆点火过程中未按计划时间启动发动机,SpaceX遥测画面显示B10以超过1000千米/小时的速度砸入水中,入水后依然有几秒钟收到了箭上回传画面。

一二级分离后,星舰S28的6台发动机继续工作。起飞8分21秒后,S28的3台真空型猛禽发动机关机,8分35秒3台海平面型发动机关机,S28以约7.36千米/秒的速度在150千米高度入轨,有推测其入轨轨道为-50×234千米。之后,S28进入滑行阶段,并开展相关试验。

在S28滑行阶段,SpaceX开展了有效载荷舱门开关试验和在轨推进剂转移演示验证,推进剂从飞行器内的头部小贮箱转移到主贮箱,但公司总裁肖特韦尔表示,推进剂转移试验的结果有待确认。SpaceX原计划在起飞后约40分钟对星舰上的单台猛禽发动机进行短暂的重启,以验证发动机在轨重启能力,但由于滑行期间飞行器的滚动速率过高,最终没有进行该测试。

起飞后约41分40秒,SpaceX表示开始准备再入,S28高度约为145千米。起飞后约44分45秒,S28的襟翼开始摆动,飞行高度约为116千米,同时画面上明显伴有掉落物。在此后的再入过程中,S28保持腹部(铺设有防热瓦的一面)向下,在约87千米高度达到最大速度,约为7.43千米/秒,遥测画面中明显看到防热瓦因高速飞行与大气摩擦升温,出现等离子体场,同时也能发现少量几块防热瓦已经脱落的情况。当S28下落到76千米高度(起飞后约48分37秒)时,星链传回的实时画面中断,仅有NASA的跟踪与数据中继卫星系统(TDRS)传回的高度、速度等遥测数据。当S28下落到65千米高度(起飞后约49分40秒)时,所有遥测数据中断。大约15分钟后,SpaceX宣布S28已经失联。推测可能已经解体。

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二、超重B10/星舰S28概况

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本次飞行试验采用了超重B10和星舰S28,其基本情况见图1。B10超重型助推级2022年3月投产,在2022年10月开始组装。S28星舰飞船级于2022年7月投产,2023年3月至4月期间组装。2024年3月6日,B10/S28组合体完成了射前演练(WDR)。SpaceX在2年时间内完成了整枚试验箭的制造、装配和测试,主要试验项目见表2和表3。期间,在完成超重-星舰前两次飞行试验后,SpaceX还针对B10和S28进行了大量改进工作,其研制效率可见一斑。

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↑表2  S28地面试验历程

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↑表3 B10地面试验历程

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↑图1  B10/S28概况(图片来源:推特@BingoBoca)

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三、主要升级改进

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在超重-星舰的第二次轨道试飞(2023年11月18日)中,超重助推级在中央13台发动机进行返回燃烧后,多台发动机异常,引发了助推级的快速计划外解体(RUD)。最可能的根本原因被确定为向发动机供应液氧的过滤器堵塞,导致发动机氧化剂涡轮泵入口压力损失,最终导致一台发动机发生故障,并引发了助推级RUD。而星舰飞船级在飞行大约七分钟后,按计划排出多余的液氧推进剂。当液氧排气口启动时,星舰后部发生泄漏,导致燃烧事件和随后的火灾,星舰飞行计算机之间的通信中断。随后自主飞行安全系统启动飞行终止系统,导致星舰解体。

针对上述故障,以及从试飞中获得的数据,SpaceX对超重-星舰进行了大量升级。

(一)第0级

轨道罐区经过重新设计,增加了更多的卧式储罐,此外还增加了过冷器(Sub chiller),使推进剂加注速度明显提高。升级后加注提速情况见表4。

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↑表4 升级前后推进剂加注时间对比

(二)超重助推级

针对第二次飞行故障,SpaceX对助推级氧化剂贮箱进行硬件改造,以提高推进剂过滤能力,并改进操作以提高可靠性。此外,还有以下两项显著的升级。

1、重新设计贮箱共底

B10采用了新的贮箱共底设计,顶部更加平滑。

2、采用发动机舱分隔板

SpaceX设计制造了最新的发动机舱分隔板,用于外圈发动机防止相邻发动机爆炸对其造成影响,由不锈钢制造而成,内部有波浪隔板。

(三)星舰飞船级

与S25相比,S28有相当重大的升级,SpaceX对S28进行了硬件改造,以减少泄漏、提高防火性能,并改进与推进剂排气口相关的操作,以提高可靠性。同时,也将星舰飞船级将猛禽发动机的液压转向系统改为全电动系统,这也消除了潜在的易燃源。此外还有一些改进体现了此次飞行与以往的主要变化。

1、有效载荷舱门

S28的内部结构发生了相当大的变化,其中主要变化之一与有效载荷舱门有关。现在,舱门的开口周围有非常大的双层板,而S25的舱门周围只有少量的纵梁,而且一旦密封起来,最终就没有任何加固了。该设计首次出现在S27上,并通过S24.2样机进行了验证。

舱门的周边还添加了9块飞行前可拆卸的锁定板,防止舱门在锁定板就位时打开。此外,S28的有效载荷门的密封装置不同于以往。飞船船侧增设密封件,更新后的门上的软木材料已被不锈钢取代。

2、更大的PEZ分配器支架

S28内安装的PEZ分配器支架作为星链卫星的容纳和部署机构,其高度比此前版本的有大幅增加。

3、增加星链终端

在星舰头锥的背风侧安装了4个星链终端,取代了过去与有效载荷舱舱口集成的单个终端。这可能会让星舰在飞行过程中与现有的无线电天线一起拥有更稳定的连接。在SpaceX向联邦通信委员会(FCC)的第三次飞行的文件列出了增加的星链终端数量,特别指出全箭共有8个星链终端。以此推断,其余4个星链终端安装在超重助推级上。

4、电动推力矢量控制

S28是第一艘配备电动推力矢量控制(TVC)系统进行测试的星舰飞船级。这项改进让发动机上的液压执行机构替换为了电动执行机构,并剔除了箭体两侧的液压系统,降低重量和复杂度,并增加了冗余。此前,B9超重助推级已经改用电动执行机构,B10同样采用。

5、排气口和分流器

在鼻锥上方,为头部小贮箱的2个排气口安装了分流器,可将排放气体向下分流,可能用作姿态控制推进器或推进剂沉底推力器。而液氧贮箱原来配有分流器的2个排气口已被完全删除,这可能也是鼻锥处的头部小贮箱排气口增设新分流器的原因。

6、头部氧箱输送管重新设计

在头部氧箱输送管的底部,扩展部分经过了重新设计,现在更长并且具有圆形边缘。

7、发动机舱内的液氧排气口

在裙边的下侧,添加了3个可插入液氧贮箱的新排气口。它们的倾斜位置可能表明它们可以充当某种姿态控制推进器。

8、热保护系统

S28的防热瓦有明显变化,第一个变化就在鼻锥上。边缘的防热瓦拼接形状进行了调整,边缘线条更加平坦。

SpaceX对襟翼防热瓦进行了更改,减少了微小不规则瓦片的数量,开放间隙的总体数量也有所减少。

9、增加液氧贮箱内部纵梁

在液氧贮箱下部,添加了24根内部纵梁柱,以提升箭体的结构强度。

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四、总结分析

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(一)持续快速迭代,新技术验证和应用成效显著

2023年4月至今,SpaceX利用不到一年的时间,完成3枚超重-星舰的发射,并在本次试验中成功入轨,达到了递归改进、快速迭代的目标。SpaceX再次展示了在“失败”中学习和进步的能力,并且不会以同样的方式失败两次。此次飞行试验不仅再次对第0级、多发动机并联、级间热分离等关键技术进行了验证,更稳定的飞行过程也证明了改进措施的有效性。同时,本次还对新技术进行测试,尤其是头部贮箱到主贮箱的推进剂转移,初步验证了在轨加注技术,对未来重复使用运载火箭的能力拓展具有重要意义,对于大规模、常态化的空间探索活动具有深远影响。最后,本次发射过程中,SpaceX充分利用星链的通信能力传回了清晰的箭上实时画面,获取了更多数据,为超重-星舰快速迭代提供了重要基础。

(二)飞行试验充分暴露问题,热防护方案仍待进一步优化

超重-星舰作为一个复杂的系统,通过本次试验暴露出了诸多问题。这也是SpaceX快速迭代理念的基础逻辑之一,通过实际飞行发现问题、检验方案可行性。一方面,超重助推级在返回过程中,姿态稳定性较差,栅格舵有明显的大范围调整动作,而且反推发动机未按预定时间点火启动,未能充分减速,导致超重助推级以过大速度撞落水面。另一方面,直播画面显示S28防热瓦在上升过程中出现脱落现象,再入画面也能明显发现脱落的部位。尽管不锈钢材料相比铝合金材料能够承受更高的极限温度(超过800℃),但星舰再入极限温度可以达到1350℃。在防热瓦脱落的情况下,星舰可能出现类似哥伦比亚号航天飞机返回时因热流穿透热防护系统导致结构失效的情况。在星舰的迎风面有18000多枚类似的防热瓦,如何确保如此庞大数量的瓦片的可靠性和工艺一致性是未来SpaceX需要攻克的难题之一。

(三)后续工作以快速实现可重复使用为重点

本次试飞为超重-星舰在今年的试验开启了一个良好的开端,SpaceX计划今年完成9次超重-星舰发射,但仍需要获得FAA的批准,而FAA也明确将本次飞行试验定义为“故障”(Mishap),需要开展调查和改进。超重-星舰后续研制工作的重点是以快速的节奏实现完全的、快速的可重复使用。重型火箭的可重复使用对进出空间具有重要的意义。为了达到这个目标,要加快生产和测试的速度。马斯克认为,任何特定的技术开发,都可以用迭代的次数,和每次迭代之间的间隔时间来衡量。每次发射或测试,都能获得经验。因此,要增加发射和测试的频率。而且,牺牲硬件总比牺牲时间要好。时间才是真正的货币。这正是通往火箭快速复用的最快途径。

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文章作者:

龙雪丹[1]  杨开[1]  王林[1]  褚洪杰[2]

(1.北京航天长征科技信息研究所;2.中国航天科技集团有限公司)

翻页可看SpaceX官方任务总结


附:SpaceX官方任务总结

@航天爱好者网

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【SpaceX官方总结昨日星舰发射成果】整体流程成功,但是一级回收最终着陆点火失败,二级滑行段姿态不稳,导致离轨点火未能执行,再入阶段翻滚解体:

1.超重型助推器B10上的所有33台猛禽发动机第二次全部成功启动,并在上升全过程中全部正常工作。

2.星舰第二次成功执行热分离,关闭了除3台中央发动机外的30台发动机,并在分离之前成功点燃了6台火箭二级的猛禽发动机。

3.分离后,超重型助推器成功完成了翻转机动,并完成了整个返场推进过程,将其送往墨西哥湾的溅落点。

4.超重型助推器成功地点燃了几台发动机(没有全部点燃),在飞行器解体(RUD)之前,它首次进行着陆反推。超重型助推器的遥测信号在距离海面462米的高度结束,起飞开始不到7分钟。

5.星舰的6个第二级猛禽发动机都成功启动,并将其送入预定轨道,成为第一艘完成全持续爬升的星舰二级。

6.在滑行段中,星舰二级完成了飞行测试的几个额外目标,包括打开和关闭其有效载荷舱门(又名pez分配器)以及推进剂转移演示。星舰没有尝试其计划的单个猛禽发动机的在轨重新点燃,因为星舰在滑行期间的侧倾率(滚转)。这些演示的结果将在飞行后数据审查完成后公布。

7.星舰二级实施首次再入大气层,在高超音速再入期间提供了有关防热和飞行器控制的宝贵数据。在星舰上运行的星链终端使再入的实时视频直播成为可能。

8.飞行测试的结论是在再入时得出的,在任务开始约49分钟时,通过星链接收到的最后一个遥测信号。

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