“超重-星舰”成功执行第五次综合飞行试验，首次实现一级回收

来源：中国航天

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）

2024年10月13日，SpaceX成功执行了超重-星舰第五次综合飞行试验（IFT-5），首次尝试超重助推级“筷子”捕获回收取得成功，星舰飞船级海上溅落达到预期的十米级精度，试验目标均已达成，此次任务标志着超重-星舰向完全、快速可重复使用迈出坚实的一步。本文将对任务执行情况，及试飞箭的改进情况进行总结分析。

图1 IFT-5任务中一级成功回收

一、计划及目标完成情况

（一）飞行试验计划

SpaceX在2024年8月初就表示，星舰已做好IFT-5的技术准备。然而，发射需要获得美国联邦航空管理局（FAA）的批准。而FAA在9月表示，预计11月底才能够批准IFT-5任务。但SpaceX通过向国会申诉，并持续推进IFT-5射前准备工作，给FAA施加压力，最终FAA在10月12日授予飞行许可。

IFT-5于10月13日从德克萨斯州的星基地发射。飞行轨迹设计与第四次综合飞行试验（IFT-4）基本相同。超重助推级将在发射后几分钟返回发射场，并由发射塔架上的“筷子”捕获。星舰飞船级再入大气，并溅落印度洋。具体飞行时序见表1。

此次试验的主要目标包括两个方面：一是首次尝试超重助推级原位返回发射场，利用发射塔架上的“筷子”机械臂对其进行捕捉回收；二是再次实现星舰飞船级的再入，完成着陆点火和翻转机动，在印度洋目标海域挑战10米级精准软着陆。

表1  超重-星舰第5次试飞飞行时序

图2 超重-星舰IFT-5飞行剖面图

（二）飞行试验情况

美国中部时间2024年10月13日7:25（北京时间2024年6月13日20:25），第五枚超重-星舰试飞箭从博卡奇卡星基地1号轨道发射/集成塔（OLIT-1）起飞。本次试飞箭由超重B12（一级）和星舰S30（二级）组成。

1、上升段

起飞后，一级33台发动机全程正常工作；

起飞后约59秒，箭体通过最大动压（Max-Q）；

起飞后2分36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；

图3  一级发动机布局

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70千米，速度为5235千米/小时。

2、一级返回

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，同时重启中圈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。此时高度为72千米，速度为5170千米/小时；

起飞后约3分31秒，一级中圈10台猛禽发动机关机，10台中圈发动机工作时长约46秒。此时高度为93千米，速度为1742千米/小时；

起飞后约3分41秒，一级中心3台猛禽发动机关机，3台中心发动机在分离后工作时长约60秒。此时高度为95千米，速度为1900千米/小时；

起飞后约3分49秒，发射指挥人员呼号表示发射塔的状态允许一级返回进行回收。此次在飞行的前3分钟，SpaceX对一级和发射塔架进行数千项检查，以确认满足数以千计的安全标准，此后一级才能被确认可进行回收试验，并由发射指挥人员手动发出操作指令，否则就将默认进入着陆点火并在墨西哥海湾进行海上溅落；

起飞后约5分10秒，直播人员表示确认发送了一级返回发射塔架回收的指令；

起飞后约6分29秒，一级相继启动中心3台和中圈10台猛禽发动机，进行着陆点火（Landing Burn），高度约1～2千米，速度为1261千米/小时，略高于声速；

起飞后约6分37秒，一级中圈10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247千米/小时；

起飞后6分48秒，在3台中心发动机反推控制下，一级以约60千米/小时的速度进入发射塔架的“筷子”之间，高度约200米；

起飞后6分55秒，一级悬停于“筷子”机械臂之间，机械臂通过两侧着陆导轨上的插槽与一级栅格舵下方两个承载点对齐，并将其接住，见图4。

图4  一级栅格舵下方的承载点（左）被“筷子”接住（右）

返回后的一级的长排罩处有结构破损，可能是由于发动机产生热羽流冲击或气动力造成的。另外，在一级底部的脐带接口处有比较明显的起火故障。

图5  一级长排罩处出现结构破损，脐带接口处有起火

3、二级飞行和再入返回

二级点火启动后与一级分离，6台发动机开始长时间工作。

起飞后约7分59秒，二级3台真空型猛禽发动机关机；

起飞后约8分27秒，3台海平面型发动机关机，二级开始滑行，高度最高达到212千米，绕行地球近半圈；

起飞后约47分44秒，发射指挥人员呼号表示进入85千米高度，二级襟翼开始进行气动控制，速度为26732千米/小时（马赫数约为21.8）；

起飞后约48分58秒，发射指挥人员呼号表示二级开始进入强加热阶段，高度75千米，速度26432千米/小时（马赫数约为21.6）；

起飞后约52分53秒，发射指挥人员呼号表示二级经历的强加热阶段已经过半，高度69千米，速度22991千米/小时（马赫数约为18.8）；

起飞后约54分3秒，发射指挥人员呼号表示，进行发动机预冷；

起飞后约56分52秒，发射指挥人员呼号表示，强加热阶段即将结束，并进入高动压阶段，高度58千米，速度17692千米/小时（马赫数约为14.5）；

起飞后约58分42秒，直播人员表示，星舰S30上布置了新的银色防热瓦，是在标准防热瓦外表包裹了铝材料，因为铝融化的温度是不锈钢开始失效的温度，以此来指示结构的受热问题；

图6  布置在载荷舱门附近的新型防热瓦（外表采用铝包裹）

起飞后约1小时40秒，发射指挥人员呼号表示二级正在经历最大动压，高度42千米，速度7918千米/小时（马赫数约为6.5）；此时，星舰S30表面出现比较严重的热烧蚀，直播画面左上角襟翼的铰链连接部位受热非常严重，但并未完全失效，结构仍保持完整；

图7  经历最大动压前后的星舰S30表面和4个襟翼的受热情况

起飞后约1小时2分37秒，二级速度快速下降，马赫数为2，高度为26千米；

起飞后约1小时3分，二级速度降至声速，高度21千米；

起飞后约1小时3分27秒，发射指挥人员呼号，二级在亚声速下以腹部向下姿态下落，高度16千米，速度748千米/小时；

起飞后约1小时5分20秒，二级3台中心发动机进行着陆点火（Landing Burn），并进行翻转机动，在起飞后约1小时5分40秒以垂直姿态在海上溅落，速度降至7千米/小时。

二级准确溅落在南印度洋目标海域后，提前设置在海面上的摄像机记录了着陆过程，表明达到了SpaceX预先设定的10米级精度范围。接触海面后随即爆炸。

4、相比第四次飞行的提升

首先，一子级33台发动机全程正常工作，10台中圈发动机2次重启、3台中心发动机1次重启全部正常，相比第四次飞行出现的发动机关机和重启故障情况，推进系统的稳定性再度提升；最大的提升是，在第四次飞行验证了厘米级着陆精度的基础上，利用发射塔架上的“筷子”成功将超重B12一级捕获回收。

其次，二子级再入返回过程中，经受高温和气动载荷环境，保持了结构完整性，未出现明显的结构损坏；同时，二子级以10米级的精度在海上溅落，相比第四次飞行6千米的落点误差，大幅提升。

再次，星链通信的稳定性大幅提升，全程未出现直播画面中断的情况，SpaceX将星链称为星舰项目的“幕后MVP”。

事后，FAA表示“经评估，IFT-5飞行中的超重助推级和星舰飞船级的所有飞行事件均在计划和授权活动范围内”，因此不会像以往一样开展任何调查。

二、超重B12/星舰S30概况

本次飞行试验采用了超重B12和星舰S30。B12超重型助推级第一批部件于2022年9月出现在星基地，在2023年8月完成组装。S30星舰飞船级于2022年9月首次出现在星基地，2023年7～8月期间进行组装。2024年9月21日，B12/S30首次进行总装，分别在9月23日和10月7日完成了一次部分推进剂加注试验。而与以往不同，此次试验箭未进行整箭推进剂满载的射前演练（WDR）。两级其他主要试验项目见表2和表3。

表2  星舰S30地面试验历程

表3  超重B12地面试验历程

图8 B12/S30总体结构/参数（来源：X@BingoBoca）

B12/S30组合体全长121米，超重B12高71米，星舰S30高50米，推进剂质量4600吨，B12干重275吨，S30干重120吨。采用二代猛禽发动机（猛禽V2）。

基于此前飞行试验的数据，SpaceX对星舰S30和超重B12以及后续的超重-超重进行了多项改进。具体如下：

（一）星舰S30的改进

升级防热瓦：由于S29的防热瓦在IFT-4飞行中出现问题，SpaceX将S30上的几乎所有瓦片都换成了新型防热瓦。防热瓦的材料组成发生了变化，表面黑色层、构造方式以及内部结构均发生了改变。马斯克称SpaceX技术人员花费了12000多个小时完成这项工作，该防热瓦的强度将增加一倍。全箭18000片防热瓦，总重约10.5吨。在此基础上还增加了新的烧蚀材料，应用于受热影响最严重的区域，固定在防热瓦下方。此前的设置从下到上依次是毛毡、网格和防热瓦。而新设计顺序是毛毡、网格、烧蚀材料和防热瓦。

天线：原鼻锥上的小六角形天线被取消，改为有效载荷门下方的一个大六角形天线。

图9  星舰上的天线（左图为星舰S28、右图为星舰S30）

（来源https://ringwatchers.com/article/s30-updates：）

摄像机：移除右襟翼摄像机，取而代之的是在每个襟翼旁边添加4个摄像机盒。

排气口：两个新通风口，一个供氧，一个供甲烷。

（二）超重B12的改进

B12与B11几乎相同，只是进行了小幅升级和修改。

星链终端：覆盖压力容器的长排整流罩上的星链终端经过重新设计，采用方形天线，而不是旧的圆形天线；

发动机防热层：包裹在发动机防护罩底部的黑色材料已被移除，取而代之的是防护罩上闪亮的钢边；

发射中止系统（FTS）：在靠近液态甲烷传输管的侧向支撑附近增加了FTS，可能是为了加强系统性能，以便在回收试验出现意外的情况下保证地面的安全；

推进剂贮箱：可能会有额外的推进剂燃料箱，为着陆增加额外的氧气。总共9个，分3组。这项措施首先在B15上发现，B12可能也采用了该设计；

稳定点纵梁：两个稳定点均添加了6个新纵梁，两侧各有3个，并被涂上了黑漆，有猜测，这种设计是为了在首次回收测试中检验一级与机械臂或塔架的碰撞情况。

图10  稳定点均添加6个新纵梁（黑色）

三、地面发射和回收系统

超重-星舰的地面发射和回收系统，即SpaceX称之为“第0级”的系统，主要由“轨道发射/集成塔”（OLIT，简称发射塔架）和“轨道发射台”（OLM）组成，详见图11。发射塔架的高度为146米，由9个钢材料的桁架结构部段组成，每段的截断为正方形，边长约为12米。桁架结构的4根主立柱采用大尺寸的方形钢材（截面边长1.6米），内部利用较细的钢材连接，提升整体强度。主体结构提供了发射总装和返回捕获的基础支撑，用于安装“筷子”机械臂、快速断开臂（QD，即脐带臂）、吊装设备等。

图11  轨道发射/集成塔示意图（来源：X@LunarCaveman）

“筷子”机械臂如图12所示，为双叉臂结构，可以沿发射塔架上下移动，也可以沿中间纵轴转动，可以对超重助推级和星舰飞船进行升降、总装等操作。在超重助推级返回时，充当捕获装置，将其捕获，确保安全可控着陆，并实现快速周转发射。“筷子”包括摆臂（下图左侧）和托架（下图右侧）：摆臂用于在总装或返回过程中，为超重/星舰提供支撑；托架用于将“筷子”固定在发射塔架上，并能够使“筷子”沿着塔架上下滑动。

图12  “筷子”结构的俯视示意图

星基地1号发射塔架的“筷子”机械臂自2022年起投入使用，此前仅用于总装集成，在IFT-5中首次实现超重B12的捕获回收。为准备回收任务，SpaceX对“筷子”进行了升级，包括：

对筷子上的桁架结构进行了加固焊接，以在捕获着陆助推器的同时，承受巨大的负载；

在“筷子”上安装了承载超重“承载点”的着陆导轨，导轨下方设有纵向液压缓冲装置，导轨内侧填充缓冲材料；

对脐带臂进行防护，防止超重返回时的发动机尾焰对其造成冲击和烧蚀；

增加10台起重机、升降机在1号塔附件提供支撑。

此外，SpaceX还对筷子进行了多次全速摆动测试，并对筷子上的着陆导轨进行了压缩测试。

四、其他主要进展

（一）启动第二代星舰制造装配

2024年6月，首枚第二代星舰（星舰V2）S33出现在星基地，未来计划与超重B14用于第七次综合飞行试验。

图13  二代星舰S33的前襟翼向背风面移动

二代星舰的改进包括：1）鼻锥上前襟翼变小，并向背风面移动，使前襟翼在再入过程中的受热情况得到缓解；2）有效载荷舱变短，由原来的5个环形筒段缩减为3个，有更多空间加注推进剂，提高推进剂加注量；3）每台猛禽真空发动机配备独立降液管。

SpaceX规划中的第二代超重-星舰（超重-星舰V2）具备完全重复使用能力，箭体长度较V1增加约3米，在重复使用状态下将能够携带超过100吨的物体进入轨道。通过升级改进后，最终的第三代超重-星舰（超重-星舰V3）在完全重复使用状态下运载能力可达到200吨，在一次性使用时可达到400吨。箭体长度将增加20～30米，推力增加至10000吨。

（二）启动第三代猛禽发动机试车

8月，SpaceX公布第三代猛禽发动机（猛禽V3）在德克萨斯州麦格雷戈首次试车的照片，试车点火持续了30秒。第三代猛禽将用于第二代和第三代超重-星舰，设计海平面推力280吨，真空比冲为350秒，质量为1525千克。SpaceX称，第三代猛禽本身设计有复杂的集成冷却回路，火箭将不再需要为发动机安装额外的热防护。

图14  猛禽V3首次试车

（三）持续提升制造和发射能力

首先，星基地内占地9.3万平方米的星工厂正在投入使用，生产团队已经进驻，能够将大部分制造过程集中到同一个空间内，尽可能将系统集成工作能够在制造前期开展，SpaceX称其目标是每年生产数百艘星舰。例如，团队可以在星工厂完成星舰整个鼻锥结构制造装配，并在同一地点处理其内部系统。因此，工程人员对任何过程有疑问，都不必离开星工厂去找答案，也不必浪费时间发送电子邮件并等待回复，可以直接面对面交流。

其次，SpaceX已经完成了星基地第二个发射塔架的建设，但尚未完成筷子、脐带臂和相关设施的安装，预计在2025年投入使用，能够提高飞行节奏，更快地进行测试。此外，SpaceX还正在对东海岸肯尼迪航天中心LC-39A发射台及其附近的发射、着陆和其他相关基础设施进行升级，包括新建一个发射塔架，未来在东海岸用于超重-星舰的发射和回收。

最后，为提升星基地的能力，SpaceX投入了大量经费和资源。自2014年以来，直接在星基地投入30亿美元，星基地全职雇员的人数超过2100人。在最近应对环境保护组织的诉讼中，SpaceX称如果法院暂停星基地的发射活动，每天的损失将高达400万美元。

图15  星基地和发射场的俯瞰图

五、小结

（一）超重-星舰工程应用进程得到极大推动

此次试验任务取得了全面的成功，验证了超重助推级筷子回收的可行性，以及星舰飞船级精准软着陆能力。超重-星舰向完全、快速可重复使用推进，同时为其工程化应用奠定了基础。此次试飞后，预计第六次综合飞行试验（IFT-6）最早将于2024年12月进行，第七次综合飞行试验（IFT-7）很可能会在2025年进行。如果一切顺利，预计2025年SpaceX将进行在轨船对船的推进剂转移演示，以验证星舰的在轨推进剂加注能力。星舰将按照计划率先应用于SpaceX的二代星链卫星星座的部署任务中，并应用于其他商业卫星的发射。在此基础上，作为NASA阿尔忒弥斯计划的一部分，有望在2026年将宇航员送上月球。随着超重-星舰可重复使用技术的成熟，在“火箭货运”项目下，或将为军方提供全球点对点运输投送能力。

（二）“筷子”方案取得成功再次证明快速迭代思路的可行性

筷子回收无疑又是一次大胆的创新，其成功在很大程度上基于SpaceX的快速迭代研发思路，以及因此积累的大量关于火箭设计、制造、发射和回收等各个环节的宝贵经验。在其发展历程中，SpaceX始终注重开展飞行条件下的试验，其获得经验的过程和手段短、平、快。正如马斯克多次强调的，时间是最重要的成本。“让飞行件飞起来”，进而通过积累的经验“简化流程、理解流程、不断改进、不断迭代”。虽然在此过程中经历了多次重大失利，但所获得的数据和经验更加宝贵。