“星舰”第四飞创纪录，迎接更大挑战

来源：中国航天报

北京时间6月6日20时50分，美国SpaceX公司研发的“星舰”开展第四次试验性发射。在此次试飞中，“星舰”表现趋近成熟。代号为B11的“星舰”第一级的33台猛禽发动机中，有一台未点火，但凭借发动机冗余设计，未影响正常飞行。随后，“星舰”两级成功进行热分离。代号为S29的“星舰”第二级正常点火飞行，并在起飞47分钟后再入大气层。尽管第二级再入过程中隔热瓦被严重烧毁，但“星舰”两级均按预期溅落海面，使其超越航天飞机，成为史上体积、重量最大的返回式航天器。

本次“星舰”起飞瞬间，从左下方圆点可见第一级有一台发动机未点火

追求回收

再创纪录

在3月14日第三次试飞中，“星舰”两级上升段一切正常，第一级进入预定亚轨道，但在落海前陷入失控旋转，最终坠海解体；第二级应进行3项太空试验，但在滑行段姿态不稳而异常旋转，被迫取消太空点火试验，绕地球飞行约半圈后，再入大气层，迎风面被粉红色等离子体包围，因姿态不稳，导致隔热瓦无法有效保护箭体，最终失去遥测信号，空中解体。

“星舰”第四次试飞的整体任务架构未变，但测试项目有所调整：相比第三次试飞，删减了卫星投送舱门开启、推进剂转移、离轨点火这3项试验，新增了抛热分离环、第二级翻转、反推落海这3个试飞节点。

“星舰”第一级抛掉热分离环效果图

一方面，“星舰”两级热分离结束后，第一级抛掉了重达9吨的热分离环，以便减少回收重量。不过，按照曝光的“星舰”后续设计，未来会配备一体式热分离结构，因此抛掉热分离环很可能只是为了提高第一级回收成功率的的权宜之计。

另一方面，之前“星舰”3次试飞中，均计划让第二级穿过大气层后直接高速坠海；第四次试飞却计划加上两项“新动作”：先是让“星舰”翻转方向，通过前后两组翼面的组合动作，从近似水平的再入姿态转换为垂直姿态，随后启动猛禽发动机，进行反推减速，直至距海面数十米处垂直悬停，最终发动机关机，第二级溅落海面。

“星舰”第二级亚轨道试飞时翼面翻转

其实，这就是“星舰”之前“5射4炸”的万米高度亚轨道试飞的测试内容，这种翼面翻转动作也被外界戏称为“神龙摆尾”。本次发射中，“星舰”第二级经受住再入大气层考验，虽虽然部分翼面在再入过程中被烧穿，但翼面依然正常动作，二级正常点火反推落海。

此外，“星舰”两级均成功定点减速落海，距离由发射台上“大筷子”装置捕获回收的目标又近了一步，为将来“星舰”实现完全回收复用奠定了基础。

试验推迟

仍存难关

虽然“星舰”第四次试飞的成果可圈可点，但总体进度仍未达到预期，尤其是当务之急的载人登月任务。众所周知，基于“星舰”第二级研制的载人登月舱将在“阿尔忒弥斯-3”任务中运送航天员登月。为了实现这个目标，SpaceX公司还需设计专门贮存和在轨转移低温推进剂的“星舰加油站”。这也是“星舰”完成发射-再入-回收循环后面临的最重大挑战。

未来两枚“星舰”第二级在轨加注试验效果图

根据最新计划，真正意义上的“星舰”在轨加注试验预计到2025年才能实施。届时，两枚“星舰”第二级将先后升空，第一枚负责在轨接收推进剂，配备主动对接机构和导航设施，第二枚负责在轨输出推进剂，装有被动对接机构。两者完成在轨对接并传输推进剂后，将分别再入大气层，返回发射场。

“星舰”第三次试飞中，在轨推进剂转移试验成功，为2025年试验项目打下了基础。但是，针对2025年试验的多项准备工作，包括对接机构、导航设备、在轨加注用快速脱插口、液氧甲烷推进器等，仍然在研发中。

正所谓“屋漏偏逢连夜雨”，就在“星舰”加紧追赶载人登月任务进度之际，一个重大商业项目被取消。2018年，日本富豪前泽友作与SpaceX公司合作发起商业太空旅游项目，计划斥资折合人民币超过60亿元，希望邀请艺术家、媒体人乘坐“星舰”绕月飞行。然而，最近这个项目正式宣布无果而终。

外界认为，“星舰”载人发射面临的主要难点与航天飞机相似：一是缺乏主动逃逸手段，二是再入安全性存疑，尤其是热防护系统的可靠性未得到有效解决。

隔热瓦破损脱落是“星舰”面临的重大困扰

“星舰”第二级拥有约18000块隔热瓦，飞行中表面温度会超过1430摄氏度，与航天飞机近似。相比航天飞机采用的多种异形隔热瓦，“星舰”除翼面转角和头锥等部分外，大多数采用了尺寸统一的六角形隔热瓦，每片隔热瓦下有3个固定点，中间夹胶，底层挂网，虽然在一定程度上降低了生产、维护压力，但隔热瓦在试验、点火、发射过程中经常破损脱落。

近期，SpaceX公司承认，目前“星舰”项目最棘手的问题是隔热瓦易破损脱落，可维护性差，即便花费了大量资源，仍未有效解决。在航天飞机的服役生涯中，脆弱、昂贵且难以维护的热防护系统一直困扰着美国宇航局，采用类似思路的“星舰”看来也未能幸免。本次发射二级再入过程中，从直播画面就可以看出有部分隔热瓦已经脱落，但所幸为导致解体。

大胆升级

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展露雄心

经历4次试飞后，“星舰”基本定型，但目前仍不能称为“成熟状态”。为此，SpaceX公司陆续公布了雄心勃勃的V2版、V3版“星舰”规划，而当前的“星舰”被称为V1版。

V2版“星舰”最主要的变化是热分离结构采用集成化设计，而不是V1版的可拆式结构。此外，V2版第二级稍微拉长，前翼面位置和隔热瓦分布均有微调。按计划，V2版将在V1版剩余库存消耗完后投入飞行任务。

至于远期的V3版“星舰”，改进幅度更大：直径不变，第一级小幅拉长，第二级大幅拉长增重，全箭高度将从120米增至150米。最关键的是，随着新版本发动机推力持续增加，同时第一级有可能再增加布置2台发动机，促使V3版“星舰”第一级的起飞推力将增至万吨级别，第二级的真空版发动机从3台增加到6台。值得注意的是，V3版“星舰”两级的级间比近似1比1，虽然有望使两级分离高度、速度降低，从而减轻第一级的回收压力，但第二级的回收难度无疑会增大。

“星舰”当前状态（左）与未来升级型号对比示意图

除了“星舰”自身设计迭代外，SpaceX公司还公布了猛禽发动机的升级计划：目前使用的第二代猛禽发动机的技术状态已经比较稳定；第三代猛禽发动机将从V2版“星舰”开始投入使用，其结构高度简化，很多复杂结构被“隐藏”，比如采用整体冷却通道壁，同时精简或集成了部分结构，尤其是某些管路被集成至主泵中。这将使发动机更轻，推力却更大。不过，缺点是制造难度更大。

总之，经过4次试飞和频繁改进，“星舰”虽然没能向近地轨道输送1克有效载荷，但每次试飞展现的进步都是可圈可点的。可以说，“星舰”距离两级完全回收的目标仅有“一步之遥”。

不过，“星舰”后续并非“高枕无忧”，预计接下来将进入密集的入轨试射/发射阶段，仍有大量技术设计有待验证，这也是“星舰”融合过多新技术所必须经历的风险。尤其是大规模低温推进剂在轨加注，技术难度高、跨度大，堪称“星舰”支持载人登月任务的“必修课”。

从商业角度来讲，SpaceX公司对“星舰”的需求更加急迫，载人绕月旅游项目取消就是“警钟”。另外，星链星座累计发射卫星超过6500颗，早期卫星即将迎来“退役潮”，而功能强大的完整版第二代星链卫星急需依靠“星舰”部署。“星舰”既要尽快收回巨额研发投入，又要加速星链星座的补网扩容，压力之大，不言而喻。好在随着SpaceX公司加紧建设第二座“星舰”发射台，促使“星舰”回收技术逐渐成熟，后续“星舰”发射频率有望逐步提升，不排除今年发射有效载荷。