星舰SN-8 试飞：万里长征迈出第一步

文/ 田丰

▲ 登月版星舰动画示意图

2020 年12 月9 日，在美国太空探索技术公司位于得州博卡奇卡的试验场，公司正在研发的代号“星舰”（Starship）的SN-8 原型试验箭进行了首次12.5 千米高度试飞。火箭成功起飞，但约7 分钟后在尝试着陆时因着陆发动机点火后推力不足发生爆炸。

“星舰”是太空探索技术公司正在研发的一款两级可完全重复使用的重型火箭，全箭采用公司自研的代号“猛禽”的液氧甲烷发动机驱动，贮箱主要采用不锈钢材料制成，近地轨道运力不低于100 吨。其中，火箭二级被称之为“星舰飞船”（Starship spacecraft），火箭一级则称为“超重型火箭”（Super Heavy rocket）。此次试飞的是其二级“星舰飞船”（以下简称“星舰”）高50 米，直径9 米，干重约110 吨，可加注约1200 吨推进剂。

飞得完美 炸得漂亮

9 日的试飞中，“SN-8”安装有3台代号“猛禽”的液氧甲烷发动机，点火后“星舰”迅速离架升空。升空后“星舰”基本垂直向上爬升，过程中3 台猛禽发动机渐次关机。起飞后1 分40秒开始，第一台“猛禽”关机，关机过程中短时引燃了发动机舱内设备，好在并未影响后续飞行。第二台于起飞后3 分15 秒关机，随后进行了部分液氧的释放。最后一台发动机则于起飞后4分40 秒关机。随后，“星舰”靠惯性到达此次飞行的最高点。在前后可动翼面的控制下，火箭从垂直转入水平姿态，随后“星舰”维持水平姿态，进行了约一分半钟的平稳滑翔。起飞后6 分32秒时，前翼面展开，“星舰”头部气动阻力上升，后翼面收起，尾部气动阻力下降。同时，两台猛禽发动机重新点火并调整方向。在翼面和发动机联合作用下，箭体迅速从水平转为垂直姿态，以尝试最终垂直着陆。但发动机点火后，喷管火焰间歇性异常变绿，同时箭体减速不足，下落速度过快。收起在发动机舱裙段内的着陆支腿还未展开，箭体即已坠地爆炸，星舰SN-8 彻底报废。

回顾整个发射过程，“星舰”的起飞、关机、转身、滑翔，以及最终的“神龙摆尾”都符合试验预期。太空探索技术公司也表示，已经收集到了所有预期的试验数据，尤其是采用新型控制翼面进行姿态控制的数据，虽然公司之前已经进行过仿真分析和风洞试验，但实飞验证的数据仍然难能可贵。对于最终阶

段的着陆失败，公司称是由于着陆专用的甲烷贮箱的增压系统异常，未能向发动机压送足够的甲烷推进剂，从而导致发动机推力不足，减速过慢，最终坠地。

对于着陆前发动机喷管的绿色火焰，公司仅称是因为甲烷供给不足，发动机富氧燃烧导致。业界猜测其具体原因在于猛禽发动机采用全流量分级燃烧循环，其配置有富燃、富氧两个预燃室，虽然甲烷供应不足，但由于两个预燃室燃烧富燃、富氧比例很大，未能对其造成明显影响。但经过预燃室的推进剂最终汇入主燃烧室时，甲烷总量不足导致液氧注入量相对过大，发生了富氧燃烧，高温富氧燃气冲刷含铜内壁发生焰色反应致使火焰变绿，同时异常的混合比也导致了推力未达预期。

▲ 星舰SN-8 升空

▲ 发射台现场航拍

“天价船票”引发的飞速迭代

“星舰”从最初蓝图到此次试飞状态经过了4 年的迭代。早在2016 年的国际宇航大会上，太空探索技术公司创始人埃隆·马斯克在压轴演讲上首次公布了公司构想的载人登陆火星用运载火箭——行星际运输系统。但因发射规模过大，技术指标过高，其设计方案一变再变，火箭规模一缩再缩。2017 年时改名为“大猎鹰火箭”，规模缩水至近地轨道运力百吨级，但当时贮箱材料为复合材料。2018 年，日本富豪前泽友作斥巨资购买船票，并联合太空探索技术公司进行了“绕月之旅”发布会。当年末，公司再次推翻“大猎鹰火箭”的设计方案，将贮箱材料从高强度低密度的碳纤维复合材料变成目前火箭贮箱中鲜有应用的市售级301 不锈钢，并改为现用名称“星舰”。

▲ “星舰”一级正在总装中

不锈钢方案敲定后，“星舰”研发才真正驶入“快车道”。2019 年7 月，太空探索技术公司就在得州博卡奇卡开展了“星跳者”（Starhopper）的首次试飞，飞行高度约20 米，同时也是全流量分级燃烧循环的猛禽发动机首次试飞。但“星跳者”贮箱壁厚达14 毫米，系统高度简化，只能称之为低空跳跃试飞平台，而非运载火箭原型。同年9 月，该公司的开建“星舰”的MK 系列，不但在博卡其卡制造MK-1，同时还在佛罗里达州的肯尼迪航天中心附近制造“星舰”MK-2，二者齐头并进。然而2 个月后，太空探索技术公司首次进行MK-1 的贮箱加压测试时，MK-1 焊缝强度不足发生破裂，前箱前底被炸飞。此次试验后MK-1 被认定为不适合飞行，由于MK-2 的工艺与MK-1 几乎相同，两者直接退役。随后公司裁撤佛州团队，“星舰”生产和试验全部集中于得州博卡奇卡，并开展SN 系列的生产和试验。然而出师不利，2020 年2 月28日，星舰SN-1 原型机在开展加注液氮进行低温高压压力测试时发生爆炸，随后SN-2 压力测试获得成功。2020 年4月3 日，SN-3 在加注液氮进行低温压力测试时，由于排气阀在超低温加压时泄漏，贮箱压力不足导致箭体失稳崩溃，这是损毁的第三艘星舰原型机。同年5月29 日，SN-4 在进行第5 次静态点火测试后约2 分钟后发生爆炸。2020 年6 月15 日，太空探索技术公司对SN-7进行压力测试，在对贮箱加压持续8个多小时后，贮箱出现了泄漏降压，最后压力0.76MPa，测试终止。一连串的挫折并没有阻挠其前进的脚步，8 月5日，星舰SN-5 的150 米试飞成功，随后SN-6 进行了同样的150 米跳跃测试，亦获成功。

▲ 星舰SN-8 起飞瞬间

▲ 星舰SN-5 即将着陆

▲ SN-9 贮箱贴敷的隔热瓦

今年的挑战——平稳着陆和成功入轨

在前期大量原型机的试验数据支持下，SN-8 安装了全套控制翼面和头锥，开始挑战12.5 千米试飞。之所以说SN-8 的试飞相对于SN-5、6 有大幅进步，主要在于以下三点：首先是3 台猛禽发动机首次组合工作，着陆用的“头部贮箱”首次用于着陆反推，最关键的是“星舰”首次具备了与日后实飞状态一致的完整气动外形和气动翼面。因此在SN-8 试飞更贴近“星舰”服役后再入大气层过程中的滑翔阶段，该阶段中发动机不工作，而是仅依靠前后两对可动翼面来控制飞船姿态。从试验结果来看，3 台“猛禽”的组合控制和滑翔的气动控制基本成功，但“头部贮箱”的增压设计仍存问题。

太空探索技术公司目前已经准备好SN-9 号原型机，其配置与SN-8 基本相同，但“头部贮箱”增压方式从SN-8 的自生增压变更为冷氦增压，以期避免SN-8 的增压问题，并在近期准备再次进行12.5 千米试飞。太空探索技术公司曾在猎鹰系列火箭上长期使用冷氦增压方式，可谓经验丰富，但公司称未来还要对贮箱增压方式继续进行研究，以找到最适合“星舰”的增压方式。

不过即使SN-9 顺利完成试飞并着陆，“星舰”距离首飞入轨仍面临一系列技术挑战。首先就是“星舰”再入大气层的热防护系统，目前“星舰”计划在迎风面大面积覆盖陶瓷基非烧蚀隔热瓦TUFROC 作为防热材料，为了验证这种隔热瓦的贴敷性能，公司曾在星跳者、SN 系列原型机乃至货运龙飞船上实验性安装隔热瓦。不要小看这“贴瓷片”的验证，由于贴敷技术不成熟，航天飞机在研发初期就曾被隔热瓦大面积脱落的问题长期困扰。其次是“星舰”一级，也就是“超重型火箭”的多发并联问题，不同于“重型猎鹰”每个通用芯级安装9 台，三芯并联共27 台，“超重型火箭”仅在一个9 米直径箭体底部就计划安装28台（目前方案）“猛禽”，同时工作时起飞推力将高达6600多吨，该方案会产生发动机布置、承力结构、热防护、耦合振动等一系列技术挑战。以上只是“星舰”为实现首飞而将面临的多种技术挑战中的一部分。不过公司已经准备了SN-10 到17 的一系列星舰原型机，以及星舰一级“超重型火箭”的第一个原型机BN-1。

之所以要制造数量众多的原型机，源于“星舰”不同于传统火箭的研发思路。由于种种原因，传统运载火箭在正式入轨发射前都是没有过试飞的，设计人员在漫长的研发进程中一直都在想方设法用尽可能多的地面试验来模拟实际飞行工况，试图让上天的问题全部暴露在地面并得到解决。但地面终究是地面，谁也无法保证所有问题都能在地面复现。随着垂直回收技术的实用化和成熟化，“星舰”的设计过程迥异于传统重型火箭，利用不断提升高度的悬停和试飞不断暴露各种问题，逐步验证各种技术，最终逼近实用化运载火箭。如此一来，技术风险和问题被高度分散，不再需要“毕其功于一役”地将风险集中于首飞。

▲ 着陆前发动机火焰呈现绿色

“星舰”未来仍存变数

“星舰”从研发开始至今，虽然过程颇多坎坷，但尚未遇到颠覆性问题，因此摆在太空探索技术公司面前的最大挑战就是时间和资金。资金方面，由于美国政府两党轮替，拜登政府的航天政策相较特朗普会有所变动，尤其是对“阿尔忒弥斯”计划为首的深空载人重视度下降，转而向地球科学方向倾斜。“星舰”作为计划内本就获资助最少的登月舱承包商（一期国家队获批5.8 亿美元，而太空探索技术公司仅1.35 亿美元），即使三选二成功，后续经费也将受到削减。还有，“星舰”还曾获美国宇航局在轨加注技术演示项目5300 万美元的资助。此外再无公开的外部资金支持，虽然美国军方对亚轨道“星舰”的快速全球投送能力表现了浓厚兴趣，但目前依然“一毛不拔”，商业发射客户也多持观望态度。因此目前“星舰”及配套猛禽发动机的高昂研发费用均由公司自掏腰包，与同为重型火箭却被美国国会百般呵护而“衣食无忧”的“太空发射系统”相比，“星舰”的研发风险和压力可想而知。随着“太空发射系统”首飞进度不断延宕，“星舰”研发的快速推进，谁能率先首飞并完成入轨仍存巨大变数。

成功入轨对于一般火箭来讲已可称之为“大功告成”，但对于“一箭包打天下”的“星舰”来说，首飞成功也至多不过是“赛程过半”。“星舰”二级还需挑战再入大气层并成功着陆回收。而后针对载人任务，还需积累可靠性数据，增设必要的维生和逃逸设备，最终定型载人版“星舰”。为应对规划中在轨加注需求，还需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版“星舰”。而为了满足美国宇航局的登月舱需求，还需要打造精简所有大气层再入用设备的月球版“星舰”。最后为了实现马斯克本人的“野望”，还需要打造可往返地球火星的火星版星舰。而以上构型能够实现的最关键前提，就是要实现“星舰”的廉价、快速和可靠的重复使用，这才是“星舰”项目的核心挑战，也是不断迭代的终极目的，其实也是最艰难和耗时的一步。

“星舰”的设计一如既往采用快速迭代的思路，低成本快速成型，然后试错，成功就继续改进，继续试错；失败就马上掉头，改换思路。为实现这些看似疯狂的设计需求，“星舰”未来不仅会挑战既有的运载火箭设计定式，也可能推翻自家的设计思路。一如“猎鹰1”时期伞降实验失败，公司果断转向垂直起降回收；还有“星舰”最初拟采用复合材料贮箱，后发现其对成本和热防护系统设计造成巨大困难，毅然拆毁贮箱工装迅速转向不锈钢贮箱。后续研发中也应如此，比如业界目前基本接受了猎鹰9 火箭一级的可展开着陆腿设计，无论是返场回收还是着陆部署在海上回收平台，着陆腿都不可或缺。但“星舰”计划取消一级火箭的着陆腿，公司近期宣称未来规划让一级直接落回到发射台上，由发射塔支臂来接住火箭一级，利用栅格舵来承受箭体重量。这样一来其回收过程就并非着陆而是捕获。该设计的优势在于可省去箭体着陆支腿的重量和成本，也避免了支腿无法可靠展开和锁定的潜在风险（“猎鹰9”曾因支腿锁定机构失效而倾倒爆炸）。并让火箭能够马上在发射台上重新就位，从而能够使火箭具备快速重复发射的能力。

总之，星舰SN-8 的奋力一跃只是“万里长征第一步”，面对落地失败爆炸的结局，无论是“虽败犹荣”，还是“善始未善终”，未来入轨之路依旧道阻且长。太空探索技术公司惯用的快速渐进迭代的设计思路在“星舰”上到底能否再次奏效，赌上公司家底的一次技术豪赌能否成功，着陆火星的蓝图究竟会是“梦想成真”还是“黄粱一梦”？还是让我们拭目以待吧。

▲ 着陆前姿态转换，可见前翼面展开，后翼面收起

▲ 网友制作的发射台捕获构想图