超重-星艦第十次綜合飛行測試情況分析

超重-星艦第十次綜合飛行測試情況分析

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）

美國中部時間2025年8月26日（北京時間8月27日），SpaceX成功執行了超重-星艦的第十次綜合飛行測試（IFT-10），兩級按計劃進行了海上濺落，實現了全部試驗目標，驗證了二代星艦有效載荷部署能力、猛禽發動機在軌重啟能力等。

本次試飛距上一次（IFT-9）91天，鑒于此前三次試飛均以失敗告終，此次飛行不僅驗證了改進措施的有效性，為后續任務奠定基礎，更是通過成功再入返回驗證了二代星艦的熱防護系統，并收集到了更多數據，向著完全、快速可重復使用邁出重要一步。

一、試驗目標與計劃飛行時序

本次試飛箭由超重B16助推級（一級）和星艦S37飛船級（二級）組成。超重B16不執行返場和捕獲回收任務，而是返回墨西哥灣海域濺落；星艦S37開展亞軌道飛行，并最終印度洋海域濺落。

超重B16助推級在飛行任務中進行以下驗證活動：

• 受控姿態翻轉。級間分離后，助推級仍將以受控方式沿預定方向翻轉，調整為返回飛行的姿態后，再啟動中圈和中心的13臺發動機進行返回點火。該操作在IFT-9中首次演示，能為上升段保留更多推進劑，提升運載能力；

• 著陸點火階段發動機冗余性能測試。在下降至海面附近，進行著陸點火時，有意關閉3臺中心發動機里的1臺（模擬故障情況），并啟用1臺中圈發動機作為備份發動機（如下圖標紅處），評估中圈發動機用于著陸點火的能力，收集數據。在著陸點火最后階段，轉換到僅2臺中心發動機工作，使箭體在海面上方懸停，最終關閉所有發動機并墜入海中。

圖1 超重B16的33臺猛禽發動機（外圈20臺，中圈10臺，中心3臺）

SpaceX為星艦S37飛船級設定的目標與此前基本一致，但此前任務中均未能得到驗證，主要包括以下三個方面：

• 有效載荷部署能力測試。部署8顆下一代星鏈衛星的質量模擬器，驗證堆疊和主動彈出式的有效載荷艙功能。

• 猛禽發動機在軌二次點火測試。在無動力滑行段，完成星鏈模擬器部署驗證后，驗證單臺發動機在軌點火啟動能力。

熱防護系統再入測試是本次任務重點，同時也是對二代星艦升級型襟翼的首次試驗。移除多處隔熱瓦，以評估結構的極限受熱能力；測試多種金屬隔熱瓦方案（包括主 動冷卻型），以評估替代方案 ；驗證兩側捕獲點的熱防護和結構，以及平滑處理后的熱防護邊緣，見下圖；以更高熱載荷的再入飛行剖面進行驗證。

圖2 熱防護瓦邊緣改進（星艦S33（左）/星艦S37（右））

本次飛行試驗任務的計劃飛行時序見下表。

表1 超重-星艦IFT-10的計劃飛行時序

圖3 超重-星艦IFT-10計劃飛行剖面圖

二、試飛情況

此次發射最初計劃在美國中部時間2025年8月24日7:45（北京時間8月25日上午7:45）進行，但在倒計時T-39分鐘時，星艦快速斷開（QD）連接的地面系統液氧管路出現故障，發射被推遲。經過一天的故障排查，美國中部時間2025年8月25日下午8:00（北京時間8月26日上午8:00）SpaceX再次嘗試發射，但由于天氣原因再次被中止，當天僅進行了射前演練。

此次發射最終于美國中部時間2025年8月26日下午7:30（北京時間8月27日上午7:30）進行，超重B16/星艦S37組合體從博卡奇卡星基地軌道發射/集成塔A起飛。

（一）上升段

起飛后約1分33秒，外圈20臺發動機中的一臺異常關機；

圖4 一級上升段，1臺中圈發動機異常關機

• 起飛后2分38秒，一級按預定程序關閉30臺猛禽發動機（MECO），只保留3臺中心發動機繼續工作；

• 起飛后約2分45秒，二級6臺發動機啟動，一、二級熱分離，此時速度為4716千米/小時。

（二）一級返回

起飛后約2分48秒，一級與二級分離后，進行姿態翻轉調整飛行方向，同時進行返回點火（Boostback Burn），本應重啟中圈10臺猛禽發動機，但此前出現故障的發動機未能重啟；

圖5 一級返回點火時，1臺中圈發動機未能重啟

• 起飛后約3分48秒，一級中心3臺猛禽發動機關機。此時高度為87.5千米，速度為1109千米/小時；

起飛后約6分18秒，一級相繼啟動中心3臺和中圈9臺猛禽發動機，進行著陸點火（Landing Burn），中圈的1臺故障發動機仍未能重啟；此時高度約2.2千米；

圖6 一級著陸點火時，1臺中圈發動機未能重啟

• 起飛后約6分23秒，一級中圈8臺猛禽發動機關機，僅保留中心2臺發動機和中圈1臺發動機工作。此時高度1千米；

• 起飛后6分37秒，中圈1臺發動機關機，僅保留中心2臺發動機，實現海上懸停，此時高度約為0.3千米；

• 起飛后6分41秒，中心2臺發動機關機，一級海上濺落；隨后發生爆炸。一級濺落時姿態良好。

（三）二級飛行/再入

二級點火啟動后與一級分離，6臺發動機開始長時間工作。

• 起飛后約9分00秒，3臺海平面型發動機關機，二級開始滑行，此時高度150千米，速度26430千米/小時；

有效載荷部署演示：起飛后16分57秒，艙門開啟；起飛后19分07秒，PEZ分配器開始部署有效載荷模擬器；起飛后約25分，有效載荷模擬器部署完畢；在此期間達到最大飛行高度192千米，速度約為26310千米/小時；

圖7 有效載荷部署演示畫面

發動機在軌二次啟動：起飛后約37分50秒，二級中心一臺猛禽發動機重啟；點火持續約3秒；

圖8 猛禽發動機在軌二次啟動

• 起飛后約45分，開始再入；從直播畫面可以看到，再入過程中，星艦尾部裙段出現部分破損，襟翼下方出現部分破損；

圖9 再入過程中星艦尾部裙段發生破損

圖10 再入過程中襟翼下方發生破損

• 起飛后約1小時6分18秒，完成翻轉機動，隨后二級3臺中心發動機進行著陸點火（Landing Burn）；

三、試飛箭

本次飛行試驗采用了超重B16和星艦S37，前者為一代超重助推級，后者為二代星艦飛船級。后續，該構型還將進行一次飛行。

（一）超重B16

超重B16助推級的組件于2024年2月首次出現在星基地，其組裝工作于2024年10月16日開始，并于當年12月26日完成裝配制造，歷時71天。2025年2月28日，超重B16被送至梅西試驗場啟動低溫試驗，至6月6日成功完成靜點火試車。

表2 超重B16開展的地面試驗

（二）星艦S37

星艦S37飛船級是第五枚二代星艦，第四枚二代星艦S36在地面試驗中發生爆炸后，星艦S37被啟用，并參與本次飛行任務。

星艦S37的組件制造始于2024年11月，裝配始于2025年2月26日，至4月15日完工，歷時48天。開始在梅西試驗場進行低溫驗證，梅西因星艦S36爆炸事故進行 修復期間，SpaceX對1號發射臺進行了臨時改造適配，用于星艦S37的試車和旋啟試驗。

表3 星艦S37進行的地面試驗

四、此前故障原因及改進措施

（一）IFT-9故障原因及改進措施

2025年5月27日，超重-星艦第九次試飛（IFT-9）中，超重助推級和星艦飛船級分別發生了故障。

1、大攻角再入條件下，輸送管路結構故障致使助推級損毀

故障情況：超重助推級完成返回點火后，采用了峰值攻角高達17度的再入飛行剖面，以充分利用氣動減速，減少回收推進劑消耗，而大攻角再入飛行剖面則是有意摸索驗證極限工況下的性能。超重助推級在海面上空約1千米處，啟動中圈和中心12臺發動機（另外1臺未能啟動），開始著陸點火，但助推級尾部很快發生爆炸。

故障原因：著陸點火失敗的最可能原因是由于大攻角試驗下，助推級結構（特別是助推級燃料輸送管路）承受的力高于預期，致使輸送管發生了結構故障，導致甲烷和液氧混合并發生保障。

改進措施：在后續該配置超重助推級的飛行任務中，降低助推級下降時的攻角，以降低氣動載荷。此外，SpaceX在三代超重助推級中采用尺寸與獵鷹9一子級（直徑3.66米）相當的大型甲烷輸送管路，提高承載能力和工作可靠性，并同時充當著陸點火的小貯箱。

圖11 三代超重助推級上采用大型輸送管路

2、主甲烷貯箱增壓系統的擴散器故障，致使星艦姿態失控

故障情況：星艦飛船級發動機點火工作約3分鐘后，傳感器檢測到鼻錐中的甲烷濃度上升；直到發動機工作5分鐘后，甲烷濃度仍在上升；同時主貯箱壓力迅速下降，鼻錐內壓力快速上升。發動機工作期間，尚能夠補償主貯箱壓力下降，直到二級發動機關機（SECO）。星艦因鼻錐內壓力過高而啟動鼻錐排氣，排氣過程造成姿態誤差并持續累積，故障診斷和處置系統因上述誤差又關閉鼻錐排氣，并利用姿控系統修正誤差后，又重新啟動鼻錐排氣。約40秒后，箭上攝像頭發現液態甲烷進入鼻錐，多個傳感器和控制器的溫度開始下降，最終觸發了自主鈍化指令，將所有剩余推進劑排放到太空。星艦以非正常姿態再入大氣層損毀，未啟動飛行終止系統。

故障原因：導致星艦故障的原因最有可能是主甲烷貯箱增壓系統的擴散器故障。箭上視頻顯示，在鼻錐內，安裝在主甲烷貯箱前底上的擴散器罐體出現了明顯失效。擴散器故障導致加壓氣體擴散到鼻錐內，使得鼻錐壓力提升及后續引發的姿態誤差；星艦姿控失控和調整的過程中，液態甲烷通過破損的擴散器滲入到鼻錐內，觸發了鈍化指令。SpaceX根據飛行條件重現了故障。

圖12 星艦主燃料箱增壓系統擴散器

圖13 NASA為SLS重型火箭液氧貯箱研制的擴散器（LPD）

改進措施：SpaceX重新設計了擴散器，大幅降低其結構應變，在類似飛行載荷下循環運行，時間超過其預期使用壽命的10倍，未出現任何損壞。

（二）星艦S36地面試車爆炸原因及改進措施

故障情況：2025年6月18日，SpaceX在梅西試驗場準備進行星艦S36地面靜點火測試，星艦S36在推進劑加注過程中發生了爆炸。

故障原因：可能性最大的根本原因是星艦有效載荷艙段內復合材料纏繞壓力容器（COPV）出現無法檢測或篩查不足的損傷，該容器失效并導致火箭結構失效，進而引發推進劑混合、起火和爆炸。該COPV為氮氣瓶，用于星艦環境控制系統。

改進措施：一是降低COPV的工作壓力，并在加注推進劑之前增加額外的檢測和驗證試驗；二是更新COPV氣瓶的驗收標準，并開發新的無損檢測方法來確定COPV的損傷；三是在安裝COPV時采用新的外部防護層，為其增加額外的保護，并能直觀顯示損傷。

五、超重-星艦項目未來發展計劃

（一）下一代構型即將投入使用，且仍將繼續改進升級

SpaceX將當前狀態的超重-星艦稱為二代，目前還有星艦S38+超重B17一組二代硬件產品可能用于第十一次飛行試驗（IFT-11）。之后，可能會在今年底啟動三代超重-星艦的飛行試驗。超重助推器的改進主要包括：1）熱分離級改為桁架結構，直接作為助推器上的級間結構。2）單個柵格舵尺寸增大50%，數量從4個改為3個，同時舵上設有回收捕獲的支撐結構；3）推進劑輸送管路尺寸大幅提升；4）換用三代猛禽發動機，底部熱防護大幅簡化。星艦飛船的主要改進主要在換用三代猛禽發動機，已經針對此前飛行失利的故障情況的改進。與此同時，SpaceX計劃繼續改進超重-星艦，增加兩級的長度提高推進劑加注量，并為星艦飛船再增加3臺猛禽真空發動機（總數達到9臺），進一步提升運載能力。

圖14 三代超重-星艦和四代超重-星艦示意圖

（二）熱防護系統改進得到初步驗證，推進劑在軌加注將是下一關鍵里程碑

星艦S37采用較大熱載荷飛行剖面成功再入返回，不僅驗證當前熱防護系統的可行性，也為SpaceX驗證各種新型金屬熱防護隔熱瓦（包括主動冷卻方案），提供了重要數據，該公司將繼續推進完全、快速重復使用的熱防護系統的研制。另外，為執行各類高軌和深空任務，SpaceX后續將加快在軌加注技術的驗證，馬斯克表示如果進展順利，最早將在2026年攻克該技術。

（三）加速擴建基礎設施，持續提升研制和發射能力

在生產制造方面，星基地的星工場建成投入使用后，能同步開展多枚超重-星艦的組件制造，見圖15；星基地和卡角的2座“超級裝配間”（Giga Bay）正在建設中，可大幅提升總裝和量產能力。在試驗設施方面，先是在星基地附近建設了梅西試驗場，專門用于各類地面試驗，并持續拓展其試驗能力；又在麥格雷戈新建了2個猛禽發動機試車工位，每個工位有2個試車間，相繼在今年2月和8月投入使用。在發射設施方面，星基地的2號發射臺最早在今年底完工；東海岸SLC-37和SLC-39A工位的超重-星艦發射設施建設計劃正在進行環評，投入使用后，東海岸每年最多可執行120次超重-星艦發射。此外，在第九次試飛后（2025年6月），SpaceX將獵鷹9項目下20%的工程師重新分配到星艦項目，旨在提高該項目的可靠性并加快研發進度。

圖15 星工廠內部多枚超重-星艦組件同步制造

六、小結

（一）改進措施有效，超重-星艦項目研發取得關鍵突破

SpaceX持續推進超重-星艦運輸系統的研發工作。于2023年4月轉入全箭綜合飛行試驗（IFT）階段。2023至2024年間，利用第一代超重-星艦完成6次試飛，實現了助推級回收和飛船軟著陸等關鍵里程碑，初步驗證了超重-星艦系統方案的可行性。在IFT-6中消耗了最后一枚第一代星艦飛船后，項目向第二階段過渡。

然而，二代星艦的飛行歷程并不順利，在IFT-7/IFT-8/IFT-9試飛和IFT-10射前地面靜點火試車中分別出現結構諧振、推進劑泄漏、發動機硬件故障、燃料擴散器故障、COPV氣瓶故障等問題。此次飛行成功證實了針對各項故障的改進措施是有效的，二代星艦的研發正逐步克服重重困難，取得關鍵進展。此外SpaceX對超重-星艦的改進和設計還具有前瞻性和整體性，著眼未來任務需求。如，對三代星艦的升級，增加推進劑容積，從1200噸提升至1500噸，為漫長星際旅行儲備充足“食糧”；重新設計推進系統，采用大型甲烷輸送管路，提高承載能力和工作可靠性，為復雜太空環境下的可靠運行筑牢根基。這些改進既解決當下問題，又為實現火星移民，在運載能力、可靠性、環境適應性等方面全方位布局，推動星艦不斷邁向成熟。

（二）70天內完成備用箭啟用，彰顯SpaceX高效研發實力

原計劃用于此次試驗的星艦S36在6月18日的靜點火試車中發生爆炸事故，不僅造成了梅西試驗場地面設施的損壞，更給星艦研發進程帶來重大挑戰。面對這一情況，SpaceX展現出強大的應變能力。一方面，立即著手整修和升級梅西試驗場地面設施。另一方面，果斷對星基地軌道發射臺進行改造，快速將其調整為可用于星艦靜點火的平臺，讓原本因場地損毀而停滯的項目得以繼續。這種靈活應變的舉措，有效降低了星艦S36爆炸對研發進度的影響，最終僅用70天，就實現了備用箭的啟用、測試、飛行。體現出SpaceX高效應對意外情況的靈活性和研發實力。

（三）多渠道籌措資金，保證大型工程項目迭代的經費需求

本次任務的意義除了技術方案得到驗證外，顯然對于SpaceX未來融資也有很大助力，這也是為什么超重-星艦項目連續遭遇3次失利后，但卻并未出現類似獵鷹1火箭連續失利時的破產危機。根據彭博社采訪的SpaceX內部員工稱，單枚超重-星艦的成本需要數億美元，即便對于大型宇航企業，連續遭受損失也會出現各種危機，例如波音公司的星際飛船項目。SpaceX則是通過星鏈業務、政府合同、融資三條路徑，保證了超重-星艦這項大型工程的經費投入。星鏈和政府合同收入都在隨著技術產品能力提升而快速增長，融資則充當一種應急手段，例如SpaceX在今年7月份就嘗試以4000億美元估值進行融資，恰好處于星艦項目連續遭遇失利之后。