超重-星艦八飛失利情況分析

龍雪丹1 楊開1 王林1 褚洪杰2（1.北京航天長征科技信息研究所；2.中國航天科技集團有限公司）2025年3月6日（北京時間3月7日），SpaceX實施了超重-星艦的第八次綜合飛行測試（IFT-8）。本次試驗是二代星艦飛船級的第二次試飛，距離上一次飛行（IFT-7）僅49天。試飛中實現助推級的“筷子”回收，但飛船級失去姿控最終爆炸。故障情況與上一次試飛高度相似。

圖1 超重-星艦二級損毀后再入

一、試驗目標

本次試飛箭由超重B155（一級）和星艦S34（二級）組成。目標飛行軌跡與上一次基本相同，對一級實施捕獲，二級則在印度洋濺落，并將針對上一次測試中未達到的目標進行再一次的嘗試。具體包括：

• “筷子”捕獲：再一次嘗試超重助推級的發射、返回和捕獲；
• 驗證飛船級熱防護系統：SpaceX專門從飛船級上取下了一些隔熱瓦，并將在再入過程中有意地對襟翼施加壓力，以測試飛船級的極限；
• 有效載荷部署：星艦飛船級在亞軌道釋放4個與下一代“星鏈”衛星尺寸一致的模擬器（IFT-7原計劃部署10個星鏈模擬器），測試艙門開合機制和衛星投放流程。這些模擬器預計在再入大氣層時燒毀；
• 在軌發動機重啟：在軌重新點燃星艦飛船級配備的6臺猛禽發動機中的一臺；
• 在軌推進劑轉移：驗證微重力環境下液氧/甲烷推進劑的傳輸技術，為月球軌道燃料補給提供數據支持。

表1 超重-星艦IFT-8飛行時序

圖2 超重-星艦IFT-8計劃飛行剖面圖

圖3 IFT-7和IFT-8航空警報區域對比
從航空警報區域看，此次飛行比上一次警報區域大。

二、試飛情況

2.1 首次嘗試因故障推遲
美國中部時間2025年3月3日下午5:45（北京時間3月4日上午7:45），SpaceX進行了第一次嘗試，在倒計時40秒時暫停，經過約7分鐘的檢查和評估后，短暫重啟倒計時，但很快又再次停止，并確定取消當天的試飛計劃。SpaceX表示在倒計時期間超重助推級和星艦飛船級相繼出現了問題。馬斯克在X上表示：“發動機地面旋啟時壓力比正常值低了2兆帕。”
通常，超重-星艦在約T-2分50秒完成推進劑加注后與地面設施斷開連接，在接下來的幾分鐘內，制導系統將執行最終對準，自主飛行安全系統（AFSS）啟動，推力矢量控制（TVC）進行檢查。完成上述操作后時間來到約T-40秒，按照發射時序，發動機地面旋啟系統（Spin Star System）啟動，并達到飛行壓力，同時飛船級切換到箭上電源；之后，快速斷開臂（QD臂）解除鎖定，為T-0后的收回做準備。SpaceX表示，即使通過了T-40秒，超重-星艦系統仍然有能力暫停發射倒計時，停留數分鐘以評估是否存在技術問題，如果存在技術問題并解決后，將倒計時循環回T-40秒，繼續進行倒計時和發射。這是超重-星艦獨有的，獵鷹9不具備暫停發射倒計時的能力。
在3月7日發射直播中，SpaceX表示最終導致3月4日發射終止的原因是由于超重助推級外圈的2臺發動機的地面旋啟系統壓力低于設計的最低壓力。超重助推級的33臺猛禽發動機依靠高壓氣體啟動，其中外圈的20臺采用地面存儲的高壓氣體。此外，3月4日超重助推級液氧液位問題也觸發了倒計時終止。經過三天的調查整改，SpaceX工程師發現導致倒計時暫停的問題中部分是由于地面保障設備（GSE）配置錯誤造成的，隨后對其進行了調整。與此同時，SpaceX檢查了超重助推級上其他導致發射倒計時終止的問題，確認火箭硬件健康；并針對飛船級上其他軟硬件突發問題，將星艦飛船級從超重助推級上拆卸下來，進行了額外的檢查。
2.2 發射前組裝過程中的意外情況
在發射前一天，SpaceX開始對超重-星艦兩級進行組裝，然而該過程也并不順利，發生了兩個意外情況。
一是，在星艦飛船級與超重助推級對齊的過程中，熱分離段頂部鎖扣組件的滑軌彈出、掉落，見圖4。

圖4 超重-星艦在安裝過程中掉落組件

圖5 熱分離段頂部鎖扣組件（黑色部件可能為滑軌）

熱分離段頂部有四個鎖扣組件，該組件是用于輔助星艦上面級與熱分離段對齊并鎖緊的機構。SpaceX花了約2個小時解決了該故障。
第二個意外情況發生在用“筷子”提升飛船級時，“筷子”滑軌系統出現了明顯的卡頓，經過大約一個小時的維修后，問題解除。

圖6 工程師們對滑軌進行維修

2.3正式飛行
美國中部時間2025年3月6日下午5:30（北京時間3月7日上午7:30），第8枚超重-星艦試飛箭從博卡奇卡星基地1號軌道發射/集成塔起飛。
（1）上升段順利進行

• 起飛后，一級33臺發動機全程正常工作；
• 起飛后約1分10秒，箭體通過最大動壓（Max-Q）；
• 起飛后1分58秒，主持人表示聽到“一級捕獲”（Go for catch）指令；
• 起飛后2分35秒，一級按預定程序關閉30臺猛禽發動機，只保留3臺中心發動機繼續工作，此時高度約為58千米，速度為4527千米/小時；
• 起飛后約2分41秒，二級6臺發動機啟動，一、二級熱分離，此時高度約為63千米，速度為4426千米/小時。

• 起飛后約2分45秒，一級與二級分離后，進行姿態翻轉調整飛行方向，按程序應重啟中圈10臺猛禽發動機，進行返回點火（Boostback Burn），朝向博卡奇卡的發射場方向飛行，但其中2臺未能重啟。此時高度為64千米，速度為4438千米/小時；
• 起飛后約3分39秒，一級中圈8臺猛禽發動機關機。此時高度為84千米，速度為1335千米/小時；
• 起飛后4分07秒，一級中心3臺發動機關機，此時高度87千米，速度1955千米/小時；
• 起飛后4分33秒，助推級排出多余液氧，以適應著陸工況；
• 起飛后5分10秒，拋掉熱分離段，比原計劃飛行時序推遲約1分38秒；
• 起飛后約6分35秒，按程序本應重啟中心3臺和中圈10臺猛禽發動機，進行著陸點火（Landing Burn），但中圈1臺發動機仍未正常啟動，此時高度約1～2千米，速度為895千米/小時；
• 起飛后約6分40秒，一級中圈9臺猛禽發動機關機，僅保留中心3臺發動機工作，中圈10臺工作時長約7秒。此時高度小于1千米，速度為209千米/小時；
• 起飛約7分02秒，中心3臺發動機關機，一級被“筷子”接住，狀態良好。

• 二級點火啟動后與一級分離，6臺發動機開始長時間工作，最初一切正常，直至8分05秒遙測數據顯示外圈1臺、中心3臺發動機相繼快速異常關機，隨后飛船級開始不受控滾轉，遙測畫面數據顯示推進劑快速減少，此時高度146千米，速度20215千米/小時；
• 起飛后9分09秒，第5臺發動機異常關機；
• 起飛后9分27秒，最后一臺發動機異常關機；此時數據顯示高度為134千米，速度20398千米/小時；隨后遙測信號丟失。

三、試飛箭改進及難點

本次飛行試驗采用了超重B15和星艦S34。超重B15為一代超重助推級，高71米，配備33臺二代猛禽發動機。于2024年6月至8月完成組裝，并于2024年12月開始測試，在此次試飛前，共完成2次低溫測試和1次靜點火試車。星艦S34為第二枚投入使用的二代星艦飛船級，高52米，配備6臺二代猛禽發動機，其中包括3臺真空版猛禽。于2024年11月完成組裝。2025年1月開始測試，共完成3次低溫測試和1次長程靜點火試車。
3.1 IFT-7后的改進
基于從1月16日進行的超重-星艦的第七次綜合飛行測試中采集的數據，SpaceX對超重-星艦系統進行了改進，主要集中在兩方面。
（1）一級點火器系統升級以解決發動機重啟問題
IFT-7試飛中，在一、二級熱分離后，一級按程序進行返回點火（Boostback Burn）以調整飛行方向，本應重啟的中圈10臺猛禽發動機中有一臺未能重啟。分析表明，故障是由于點火器系統功率過低，致使一臺猛禽發動機在啟動時安全終止。SpaceX稱該問題通過升級點火器來解決。不過，從本次實際飛行情況看，又有2臺猛禽發動機未能重啟，不過并未影響超重助推級的捕獲回收。
（2）二級升級改進以解決諧振問題
IFT-7試飛中，二級飛行段，6臺猛禽發動機按預期點火，但在點火工作約兩分鐘的時間內，二級尾部真空發動機附近觀察到閃光。該區域為非承壓空間，位于液氧箱底部與尾部防熱層之間，SpaceX稱之為“空腔”（attic）。傳感器檢測到閃光后壓力異常升高，顯示發生推進劑泄漏。約兩分鐘后再次出現閃光，并起火持續燃燒，最終致使5臺發動機關機，通信在起飛8分20秒后中斷。二級解體發生在失聯約3分鐘的下降階段。分析表明，安全系統在失聯前已自主觸發，解體符合飛行終止系統預期。事故最可能的根本原因是飛行中出現的諧振響應強度遠超預期，致使推進系統硬件承受過載壓力，隨后推進劑泄漏超出“空腔”區域排氣能力，進而引發起火和持續燃燒。作為調查的一部分，星艦在IFT-8前完成了持續60秒的靜點火試車，驗證了不同推力級別和三種真空發動機推進劑輸送管路配置，旨在復現并解決IFT-7飛行中的諧振問題。SpaceX根據測試結果，對推進劑輸送管路、推進劑溫度及推力目標進行了調整。為解決“空腔”區域易起火的問題，后續的星艦飛船級加裝了額外的排氣口和氮氣吹除系統，增強推進劑泄漏防護能力。未來星艦將改用第三代猛禽發動機（猛禽V3）后，將縮小“空腔”區域體積，進一步降低推進劑泄漏隱患。 圖7 新增的排氣孔
3.2 面臨的難點與挑戰
馬斯克在近期的采訪中還透露，為了實現完全重復使用，超重-星艦仍需要改進。
（1）助推級發動機和底部熱防護系統的微調
助推級方面，雖然此前已成功進行了“筷子”回收，但在回收的過程中，猛禽發動機和底部熱防護系統都受到了不同程度的輕微損傷，需要進行針對性的微調，目前超重助推級已接近完全快速重復使用的目標。
（2）飛船級熱防護系統仍是難題
飛船級方面，目前熱防護系統仍然是面臨的最大技術難題，馬斯克希望能通過對隔熱瓦的反復快速迭代來解決。SpaceX已經在公司內部實現了隔熱瓦研發和制造能力的垂直整合，掌握了從原材料供應到隔熱瓦產品出廠的整個鏈條。馬斯克表示，隔熱瓦所采用的材料是由SpaceX獨立研發制造的，其主要成分是玻璃和氧化鋁制成的極細纖維，再加上特殊的涂層，相比航天飛機的碳-碳復合材料具有更好的輕質性和韌性。
在隔熱瓦的安裝工藝方面，要充分考慮隔熱瓦下的不銹鋼箭體結構能夠自由的熱脹冷縮。由于箭體在加注的超冷推進劑時會受冷收縮，這些硬質的隔熱瓦之間的間隙會不斷的收縮和擴張。箭體不同區域的受影響程度不同，如在低溫貯箱區域，在注入零下185攝氏度的過冷液氧燃料時，再入時溫度可達到約540攝氏度，極高的溫度差會造成箭體的熱脹冷縮。隔熱瓦間隙變化可達10%～20%。此外箭體不銹鋼結構在飛行過程中本身也有變形，如在上升過程中，當推力改變方向時，箭體會產生微小變形。這就意味著不能把他們緊緊的貼在一起，否則會因相互的擠壓而碎裂。

四、小結

本次試飛中，超重助推級一級發動機在返回過程中兩臺發動機出現了重啟故障，星艦飛船級在飛行階段發生失控，多發動機異常關機，隨后飛船級開始不受控滾轉，最終爆炸解體。兩級的情況均與上次試飛中所出現的情況高度相似，表明上次事故的根本原因可能未被完全識別，或者改進措施沒有針對到問題的根源。短間隔試飛體現了SpaceX對技術路線的戰略自信，但星艦飛船級接連失利表明其仍需在快速迭代與系統驗證間尋求更優平衡。如果問題持續復發，可能會陷入因過度追求快速迭代而輕視航天工程復雜性的新矛盾中。
該項目于2016年公布，2019年開始原型機試驗，2023年開始整箭試飛，目前八次試飛中有四次遭遇失利，并且發生了重復的連續失敗。以往此類項目發生這種情況通常會終止，或者至少需要長期停飛以進行歸零和整改，必要時還會對管理結構進行調整，工程也會重新評估，這會使項目成本增加。