二代星舰首飞意外快速解体情况分析

来源：中国航天

二代星舰首飞意外快速解体情况分析

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）

2025年1月17日，SpaceX成功执行了超重-星舰第七次综合飞行试验（IFT-7），再次成功捕获超重助推级，但星舰飞船级由于推进剂泄漏导致了意外快速解体。本次试验中首次启用了改进升级后的二代星舰飞船级，距离上一次飞行仅58天，有可能是超重-星舰的最后一次不入轨试飞。本文将对此次事件进行梳理，并对二代星舰升级情况进行介绍。

图1 超重-星舰第七次综合飞行试验

一、试验目标

IFT-7发射窗口从美国中部时间1月16日下午4：00（北京时间1月17日上午6:00）开启，持续时长为60分钟。本次飞行任务剖面与之前的类似，目标是尝试一级捕获，二级在印度洋溅落。此外，还重点关注以下几个方面：

星链模拟器部署：将部署10个星链模拟器，其大小和重量与下一代星链卫星相似，这是卫星部署任务的首次飞行验证。星链模拟器将与星舰处于相同的亚轨道上，溅落目标为印度洋。

发动机在轨重启：在轨重启星舰飞船级的1台猛禽发动机。

首次复用猛禽发动机测试：超重助推级33台主发动机中的1台为复用猛禽发动机，曾用于支持超重-星舰第五次试飞。

热防护系统性能测试：星舰飞船级拆除了大量隔热瓦，以对整个飞行器脆弱区域进行极限测试。测试多种金属隔热材料方案（包括主动冷却方案），验证未来的替代热防护方案。在飞行器的侧面，安装了“非结构”版本的飞船捕获配件，以测试其对热防护的影响。瓦片铺设的边缘变得平滑而细小，以解决在第六次飞行测试中重返大气层时观察到的热点问题。

 图2  主动冷却测试点

测试襟翼的结构强度：调整了星舰的再入剖面，从而能够在最大再入动压条件下，对襟翼结构的极限承载能力进行测试。

轨道发射/集成塔可靠性测试：在“筷子”上测试几个雷达传感器，目的是在捕获过程中提高“筷子”和助推级之间距离的准确性。此外，为提高助推器回收的可靠性，SpaceX还对轨道发射/集成塔的硬件进行了升级，包括对在上一次发射中受损并造成放弃助推级回收的发射/集成塔上的传感器进行保护。

表1  超重-星舰IFT-7飞行时序

图3  超重-星舰IFT-7计划飞行剖面图

二、试飞情况

美国中部时间2025年1月16日16:38（北京时间2025年1月17日6:38），第7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。本次试飞箭由超重B14（一级）和星舰S33（二级）组成。

（一）上升段

起飞后，一级33台发动机全程正常工作；

在起飞后约40秒后，直播画面显示飞船级有效载荷舱外部的一块加强板翘起；

图4  有效载荷舱一块加强板翘起

起飞后约1分18秒，箭体通过最大动压（Max-Q）；

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60千米，速度为4430千米/小时；

起飞后约2分43秒，二级6台发动机启动，一、二级热分离，此时高度约为64千米，速度为4318千米/小时。

（二）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，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，但其中一台未能重启。此时高度为66千米，速度为4282千米/小时；

图5  返回点火中一台发动机未能重启

起飞后约3分28秒，一级中圈9台猛禽发动机关机。此时高度为87千米，速度为1574千米/小时；同时，发射指挥人员呼号“一级返回”；

起飞后3分38秒，一级中心3台发动机关机，此时高度89千米，速度1626千米/小时；

起飞后3分42秒，发射指挥人员呼号“一级捕获”；

起飞后3分45秒，抛掉热分离级；

起飞后约6分31秒，一级相继启动中心3台和中圈10台猛禽发动机（包括返回点火未启动的1台发动机也正常启动），进行着陆点火（Landing Burn），高度约1～2千米，速度为1236千米/小时；

起飞后约6分38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209千米/小时；

起飞后6分54秒，中心3台发动机关机，一级被“筷子”接住，一级状态良好。

（三）二级飞行

二级点火启动后与一级分离，6台发动机开始长时间工作，但在此期间多台发动机发生异常关机；

起飞后约7分40秒，有1台中心发动机异常关机；此时高度141千米，速度17756千米/小时；

图6  星舰一台中心发动机异常关机

起飞后约7分58秒，最后来自星舰上的画面显示后襟翼铰链执行器区域有火焰溢出；

图7  直播视频中星舰上的最后一帧画面显示有火焰从铰链处溢出

起飞后约8分02秒至起飞后约8分24秒，又先后有4台发动机异常关机，上述异常关机过程中，直播画面遥测信息显示甲烷推进剂快速减少；随后跟踪信号丢失。信号丢失时显示星舰最后的高度为146千米，速度为21286千米/小时。

图8  星舰五台发动机异常关机

三、故障原因

事后，马斯克通过社交媒体表示，初步确认“在星舰飞船级飞行过程中，出现了液氧/燃料的泄漏，泄漏部位在发动机防火墙上方的空腔内，而泄漏的量足以产生超过通风口能力的压力”。SpaceX官网公布信息称，星舰尾部起火，导致星舰的快速意外解体。马斯克表示，后续将开启事故调查，并“将在尾部添加灭火装置，并可能增加通风口面积”。上述措施此前曾在超重一子级的改进上。

图9  星舰发动机裙段上的通风口

此外，马斯克还表示“没有任何迹象表明下次发射要推迟到下个月之后”，后续飞行试验有可能不会受到本次失利的影响。

四、第二代星舰及改进

本次飞行试验采用了超重B14和星舰S33。超重B14与上一次试飞的超重助推级技术状态基本一致。值得关注的是，它采用了一台复用发动机，安装于一级33台发动机的外圈，这台编号为314的猛禽发动机之前应用于第5次试飞的超重B12原型机。

图10  复用的314号猛禽发动机

星舰S33则是一艘经过重大升级的新一代星舰。

（一）推进系统

第二代星舰（星舰V2）高度为52.1m，比第一代（星舰V1）高1.8m。同时，压缩了原来的有效载荷空间以及其他空间，推进剂贮箱的空间得以大幅增加。相比星舰V1，星舰V2的推进剂加注量增加了25%，从1200t增加至1500t。

图11  一代星舰（左）VS二代星舰（右）（来源：SpaceX FrontPage@facebook）

为满足执行未来轨道补给操作和深空探测任务在轨道上停留更长时间的需求，星舰V2对飞船级推进剂输送管路系统进行了升级，此前的星舰V1只为头部小贮箱的管路设置了真空夹套，而星舰V2则为整套飞船级推进剂输送管路都增设了真空夹套，旨在为整套内部管道提供更好的隔热效果。

图12  疑似推进剂输送管路真空夹套 来源：Starshipgazer.com

此外，其真空型猛禽发动机采用了新的推进剂输送管路系统，用于控制阀门和读取传感器数据的电气模块也得到升级，上述改进增加了飞船级性能，并能够增加飞行时间。

（二）热防护系统

马斯克多次强调星舰系统的最大技术挑战是快速且完全重复使用的热防护，因此，SpaceX重点针对此前试飞中出现的问题，对星舰V2的热防护系统进行了多项升级，有望提高飞船的再入可靠性。

首先，使用最新一代防热瓦，新设计中尽量减少胶粘部分，采用了备用层以防止瓦片丢失或损坏，升级后的飞船防热瓦片数量大约有18500块。

其次，后襟翼后方铺设的防热瓦不再有一组拖尾，这可能是SpaceX根据获得的再入飞行数据进行的调整。

图13  后襟翼后方隔热瓦的覆盖情况改进前（左）VS改进后（右）（来源：Ringwatchers.com）

最后，为了进一步加强襟翼转轴热防护结构的耐热性能，安装了间隙填充物，并重新设计了其边缘过渡防热瓦的形状，从方形调整为梯形。

图14  襟翼转轴热防护结构附近的隔热瓦改进前（左）VS改进后（右）

（三）前襟翼

前襟翼在前几次试飞中被证明存在设计缺陷，尤其是铰链部位在再入后期阶段会被等离子体破坏。为了解决上述问题，星舰V2飞船级的前襟翼尺寸减小，并移向背风面，从原来的彼此相隔180°缩小至140°，大大减少了它们在再入时的受热条件。前襟翼轮廓与旧襟翼相比，整体呈“扫掠”外观。底部边缘成角度，外侧边缘较短，拐角不再呈90度角。

图15  前襟翼改进前（左）VS改进后（右）

星舰V1的前襟翼厚度并不一致，在靠近铰链附近较厚，并外侧边缘处较薄；星舰V2襟翼的厚度差异明显减小，这样做降低了结构和热防护的工艺复杂性。

图16  前襟翼前缘简化前（左）VS简化后（右）（来源：https://ringwatchers.com/article/s33-nose#flap-relocation）

图17  铰链连接机构改进前（左）VS改进后（右）

（四）有效载荷部署系统

星舰V2与后续升级版本的超重助推级配合使用时，能够达到100吨的近地轨道运载能力。为实现该目标，SpaceX针对星舰V2重新设计并简化了与有效载荷部署相关的几个关键系统。

新设计的有效载荷舱门侧面改为半圆形，这可以消除以前设计中可能存在的应力点。原来采用的双层电镀也得到了简化，侧面只有两层板，上面和下面各有一层。

图18  星舰有效载荷舱门改进前（上）VS改进后（下）

用于部署星链的有效载荷适配器被称为“PEZ分配器”，能够将大量此类扁平卫星运送到近地轨道。在星舰S33之前，SpaceX已经设计有两个版本的PEZ分配器。第一个是星舰S24和星舰S25使用的小型分配器；第二个扩展构型在星舰S27上首次亮相，并用于所有后续原型机。在S33作为首枚二代星舰，采用了全新的PEZ分配器，能够容纳大约54颗星链V3卫星，其设计更加简洁。

图19  全新的PEZ分配器（左）及其部署星链卫星的概念图（右）

（五）电气系统

星舰飞船级的电气系统也得到了大幅改进，增加了额外的功能和冗余，应对日益复杂的任务，例如推进剂转移和返回发射场。电气设备升级包括更强大的飞行计算机、集成天线（整合了星链、GNSS和备用RF通信功能）、重新设计的惯性导航和星跟踪传感器、集成智能电池和电源装置（可将2.7MW电力分配给飞船上的24个高压执行机构）；箭载摄像头增加到30多个，让工程师能够了解整个飞行器在飞行过程中的硬件性能。借助星链，该飞行器能够在飞行全程以120Mbps的带宽实时传输高清视频和遥测数据，为系统快速迭代提供宝贵的工程数据。

在之前的飞船设计中，4个星链终端安装在头锥上，以使星舰能够在飞行的所有阶段（包括重返大气层）进行通信。升级后的星舰V2配备了6个星链终端，其中4个位于侧面，2个位于有效载荷舱门下方。

图20  星舰V2星链终端位置（来源：https://www.youtube.com/watch?v=d9hQbRC3M_Q）

（六）其他

除上述系统升级外，此次试验中在飞船两侧还安装了塔架回收捕获所需的支撑结构，因其为突出结构，需要测试其对飞船总体热防护性能的影响，为未来飞船级的捕获回收做准备。

图21  捕获硬件

五、小结

（一）星舰解体碎片再入后FAA及时响应，一定程度上说明美国具有较为完善的发射活动监管和响应机制 

星舰在巴哈马群岛上空快速意外解体后产生了大量碎片，几分钟后碎片在约120公里的高度飞过特克斯和凯科斯群岛。尽管SpaceX官方表示所有碎片均在安全落区范围内，但媒体报道称美国联邦航空管理局（FAA）启动了紧急危险区域管制，碎片波及的空域短暂关闭，对多个航班产生影响。这说明，FAA作为航天发射许监管机构及航空交通管理机构，能够有效协调发射活动对航空安全的影响，已经具有相对成熟的管理规则，保证公共安全。SpaceX也表示将配合FAA快速完成调查，以开展下一次星舰飞行试验。因此，虽然超重-星舰的多次发射均因美国联邦航空管理局（FAA）调查，而被迫推迟，但在具备完善监管规则的环境下，能够保证公共安全，反而是为超重-星舰的快速迭代提供了保障。

图22  星舰碎片可能经过的区域

图23  多航班受此事件影响

（二）二代星舰设计尚需打磨，短期恐难以投入使用

本次二代星舰首飞任务出现多个异常，包括：上升段有效载荷舱外一块加强板翘起；发动机点火启动后，发动机舱内发生推进剂泄漏并起火，导致快速意外解体。试飞结果表明二代星舰系统设计仍存在多项薄弱点，尚需打磨。而且，星舰S33未能入轨，也未能进入再入飞行段，星链模拟器部署、新型热防护方案、前襟翼改进等诸多目标未能得到验证。此外，SpaceX在二代星舰上采用猛禽3发动机的计划尚无明确时间，而猛禽3在2024年11月两次试车出现故障，还需要进一步迭代。因此，二代星舰短期内很难投入实际应用。