SpaceX星舰二次试飞,虽“炸”犹荣

备受瞩目的超重-星舰第二次综合飞行测试(IFT-2)于美国中部时间2023年11月18日7时03分(北京时间2023年11月18日21时03分)如期进行,这是超重-星舰在轨的第二次飞行测试。

虽然分离后超重的助推级为“RUD”,星舰的飞船级未能按预定飞行计划进入轨道,触发了自主飞行终止系统(AFTS),飞行试验以失败告终,但太空探索技术公司仍然实现了多项重要目标,包括:第一级的33台发动机在整个飞行过程中持续工作,没有出现故障停机;超重助推级和星舰飞船级热分离方案成功;飞船的六个发动机实现远程点火。试飞目标的部分达成,标志着超重-星舰项目又一次取得重要突破,继续快速迭代。

一.飞行试验和目标完成情况

(1)测试目标和计划

此次综合飞行试验的目的是全面收集火箭、发动机、计算机和地面系统的性能数据,试验结果将用于改进设计型号。超重——星舰计划从德克萨斯州的星际基地发射L 空,然后绕地球做一个偏轨道。超重的助推级将降落在墨西哥湾的水面上。随后,starship飞船将重返大气层,降落在夏威夷附近太平洋的水面上。

试验重点是超重助推级的飞行,对新型级间热分离技术的验证是试验中最具挑战性的环节。马斯克曾预测这次飞行测试的成功率约为60%。

图1超重——星舰在发射台准备发射。

图2超重星际飞船IFT 2号的计划飞行剖面

表1超重星舰第二次综合飞行试验计划的执行时间

(2)飞行试验。

本次发射采用B9超重助推级和S25星舰级。原计划11月17日发射,因需要更换栅格舵的作动器组件,推迟了24小时。

11月18日,首次发射倒计时暂停在T-40秒,原因是“星舰级增压滞后”。大约2分钟后,发射倒计时继续。最终,美国中部时间11月18日7时03分(北京时间11月18日21时03分),B9助推器+S25飞船级组合体从位于博卡奇卡星基地空的轨道发射台-1(OLP-1)顺利升空。

直播画面显示,起飞后上升飞行正常,超重助推器阶段的33台猛禽发动机全部点火并继续工作,没有出现发动机故障停机。

起飞2分43秒后,超重助推级外围30台发动机关闭,剩余中心只有3台发动机在工作;与此同时,星舰级引擎点火启动。随后,起飞后约2分48秒,超重助推级与星舰飞船级连接解锁,成功实现热分离;与此同时,超重助推级中间一圈10个发动机中的9个启动,中间一个发动机熄火,向一侧摆动,实现姿态翻转。分离过程中飞行高度约70km,速度约1.56 km/s。

图3超重星舰的热分离方案已经成功验证。

图4超重助推发动机在分离过程中的工作状态(白工作,黑关机)

在起飞3分20秒后,超重助推器级的所有发动机都关闭了,发生了“快速非计划拆卸”(RUD)。

之后星舰的飞船班继续飞行。起飞约3分40秒后,星舰失去信号。当时,自主飞行终止系统(AFTS)可能已经被触发。据太空探索技术公司直播画面显示,星舰飞船级最大高度148km,速度6.7 km/s,估计星舰轨道为- 1740km×150km,返回再入可能影响有人居住区域,从而触发飞行暂停系统。

(3)测试前的准备

超重B9助推器级的地面测试于2022年12月开始。相关测试结果见表2。starship S25飞船级的测试活动于2022年10月下旬开始。相关测试结果见表3。

9月5日,B9和S25首次组装。10月24日,太空探索技术公司在得克萨斯州的星际基地为B9+S25组件进行了一次填充演习,以检查箭是否有泄漏和其他潜在问题。

表2 B9地面测试课程

表3 S25地面测试课程

第二,首飞失败后的系统升级和改进

2023年4月20日,太空探索技术公司在卫星基地进行了超重星舰的首次轨道测试飞行。火箭起飞时,三个发动机点火失败;起飞后,几台发动机出现异常运转,速度和高度严重偏离飞行剖面;火箭在飞行大约4分钟后爆炸并解体。

经过四个半月的调查,美国联邦航空管理局空 (FAA)确定了发射失败的“多个根本原因”和“太空探索技术公司必须采取的63项纠正措施”,如附表1所示。随后,太空探索技术公司官方宣布,超重-星舰首次轨道试飞失败的原因是超重助推级尾部推进剂泄漏,引发火灾。大火切断了主飞行计算机的连接,导致与助推级多个发动机的通讯中断,最终导致火箭失控。

根据第一次综合测试获得的测试数据和FAA提出的改进建议,太空探索技术公司对超重-星舰和地面设施进行了大量升级和改进。

(一)箭上的设计改进

1.级间分离改为热分离技术。

超重星舰最初依靠旋转和投掷的冷分离方案。超重助推级主发动机关闭前,喷管摆动使超重-星舰的运输系统绕俯仰轴旋转,随后超重助推级主发动机关闭,释放级间连接。根据角动量守恒原理,断开的星舰和超重的推进级会以不同的角速度绕各自的质心旋转。

在解锁的瞬间,星舰的质量远大于超重推进级,所以超重推进级的角速度会明显大于星舰,从而实现分离。整个过程类似于猎鹰9号火箭批量部署卫星链的方式。而且分离后超重的助推级还可以翻转调整姿态,为返回再入做准备。然而,上述方法在超重星际飞船的首次飞行试验验证中失败了,因此太空探索技术公司放弃了上述方法,转而采用热分离方案。

“热分离技术”是指在星舰飞船级与超重助推级分离前,星舰飞船级发动机点火启动,然后星舰飞船级与超重助推级的连接解锁,星舰飞船级发动机尾流的推力作用在超重助推级顶部,就可以达到级间分离的目的。在热分离过程中,第一级中的一些发动机仍然保持点火,处于节流状态。太空探索技术公司说,热分离方案可以进一步提高系统的承载能力约10%。俄罗斯火箭和早期的美国火箭如大力神2都广泛采用了热分离技术。

为了实现热分离,太空探索技术公司在超重的B9助推级顶部安装了一个新的热分离段,太空探索技术公司也称之为通风级间段。超重——星舰的总高度因此增加到约121m(之前为120m),这一段有两个作用:一是向外排出废气,二是为超重的助推级顶部提供保护。热分离段主要由侧通风口和不锈钢底部组成,其底部进行了加固,以承受热分离过程中其上方猛禽发动机点火产生的机械和热载荷。这种结构主要从易于实现和性能两个方面考虑。

任务中,星舰的飞船级发动机点火后,热分离段顶部与星舰的飞船级之间的连接装置会解锁,飞船在热分离状态下会一直处于加速状态。该部分在安装前完成了一系列测试,包括使用一个名为“碎罐机”的模拟器来模拟火箭在上升过程中的应力。

图5热分离部分

2.升级自主飞行终止系统(AFTS)

为了解决超重-星舰的自主飞行终止系统在首次验证飞行中飞行失控后未能在第一时间启动自毁的问题,太空探索技术公司采取的措施主要集中在系统改进和测试方面,并在设计过程中纳入了额外的审查。

3.切换到电动推力矢量控制(TVC)系统

在首飞的B7助推器阶段,由液压驱动的TVC用于控制内环的13个发动机,以及Hpus是必需的。本次试飞的B9助推级采用电动TVC,取消了液压动力装置,系统大大简化,比原来的液压系统更可靠、更节能。马斯克表示,这一改变将使结构质量降低约1t或更多。

图6使用液压动力装置的B7(左)与使用电动TVC的B9(右)进行了比较。

4.提高发动机的热防护和防火性能。

在第一次飞行测试中,起飞时有三个发动机未能启动,飞行过程中有两个发动机关闭,另一个在闪烁。太空探索技术公司说,故障的主要原因是超重助推器发动机舱的电力系统故障。为了解决上述问题,太空探索技术公司的改进措施集中在发动机热保护、防火性能和发动机关闭逻辑上。

从B9助推器阶段作业现场的照片来看,机舱内的线束全部被包裹,喷涂的黑漆可能是类似聚脲的防火漆或增强漆。此外,猛禽发动机的可靠性改进有三个长期改进,集中在液氧阀的设计、阀密封结构和歧管设计,因此推测猛禽发动机的液氧阀可能在首次发射时出现泄漏。

太空探索技术公司决定为超重的助推级增加更多的热防护,这也增加了结构质量,这可能是太空探索技术公司最终决定采用热分离的原因之一。

图7:增加发动机热保护。

图8 B9助推器发动机舱的热防护得到了显著改善。

5.采取增压级的泄漏缓解措施。

为了解决超重-星舰首飞过程中推进剂泄漏的问题,太空探索技术公司对超重助推级采取了“泄漏缓解措施”,在助推级的发动机舱内增加了灭火系统,灭火能力提高了15倍。改进措施包括更换密封件、改变结构设计、更换一些机械连接件(螺栓等。)用焊接,更换高强度螺栓,加强泄漏监控,特别是增加了90多个摄像头进行监控。

提高助推级可靠性的措施包括:增加传感器、更换螺栓、改进密封设计。电气系统方面,在保温措施、防火涂层、传感器可靠性提升、万向节润滑提升、增加备用线束等方面都有明显提升。此外,对于未来的发射任务,要求重新设计电气系统的“网络结构”,具体原因和目的尚不清楚。

6.其他改进

除了上述官方宣布的改进之外,从星际基地现场还观察到了以下升级:

(1)助推器“脊柱”(chine)。与B7助推器级的脊柱相比,B9助推器级的脊柱明显更宽更长,内部安装了更大更长的高压气瓶,想必是为了提高发动机舱的防火能力。

(2)推力盘。太空探索技术公司优化了B9助推级推力盘设计,增加了铣削部分,进一步减轻了重量。

(3)栅格舵。栅格舵的外表面增加了额外的加强板,这可能是为了增加栅格舵的翘曲强度。

图9 B7助推级“脊柱”(左)和B9助推级“脊柱”(右)的对比图

图10助推级推力盘B7对比图(上)和B9助推级推力盘对比图(下)

图11 B9助推级格栅方向舵

(二)发射场的地面设施

1.增加发射台喷水降噪系统。

在首次飞行测试中,发射台受损,扬起的沙尘对周围环境造成不利影响,这也是星舰第二次飞行测试资格受到美国鱼类和野生动物管理局(FWS)在环境审查中批评的主要原因。

为此,太空探索技术公司对发射台进行了升级,在星舰的轨道发射器下安装了水冷钢板和喷水降噪系统。该系统可以在助推级点火时以一定角度向上喷水,部分抵消起飞时发动机产生的热流和噪音,避免对混凝土和钢结构造成损伤。系统运行需要约1366.5t水,每次运行后,废水将通过集水系统回收至储水箱。此外,太空探索技术公司还收集发射台区域的雨水,进一步补充储水罐。

图12超重星舰发射台喷水降噪系统。

通过对比B7助推级和B9助推级的静态点火试车可以看出,在安装了水射流降噪系统的发射台上进行静态点火试车时,火焰亮度明显降低,发动机熄火后产生的白色水蒸气云与之前的大量烟尘形成鲜明对比,证明了该系统的有效性。

图13 B9助推级(左)和B7助推级(右)静态点火试验图片对比

2.储罐面积的扩大

太空探索技术公司对首飞损坏的储罐外壁进行了修复加固,并扩大了储罐面积,在甲烷储罐旁的空地面上增加了新的基础,便于以后增加更多的卧式储罐。卧式储罐会使用现成的商用储罐,比立式储罐更容易屏蔽和维护。

图14发射场储罐区扩建示意图

第三,未来趋势

(一)推进原型制造,加快升级换代。

太空探索技术公司已经向美国联邦航空管理局空 (FAA)提交了超重星舰第三次轨道飞行的申请,计划于2023年12月1日至2024年2月23日进行。当然,最终的实际情况还要根据第二次飞行的最终调查结果来调整。

超重-星舰的制造和组装仍在快速推进,包括六个超重助推器级和八个星舰飞船级,处于制造、组装和测试的不同阶段。

至于超重助推级,B10、B11、B12的主体结构已基本组装完毕,但发动机舱尚未安装,其中B10和B11分别完成了4次和1次低温推进剂加注试验。B13、B14和B15正在制造和组装管片。

图15组装、制造和测试不同阶段的六个超重助推器级。

星舰级方面,S26、S28、S29、S30和S31已基本完成主体结构的制造和组装,S26和S28已安装部分猛禽发动机,其余三艘正在组装制造过程中。其中,太空探索技术公司在S28热防护系统上做了大量工作,这表明太空探索技术公司可能希望利用S28顺利重返大气层。星舰原型机的组装效率不断提高。星舰“S31”的组装仅用了33天,而与此同时,距离星舰“S30”的完工仅用了47天。

图16处于装配、制造和测试不同阶段的八艘星舰。

(2)改变卫星基地生产设施布局,提高生产能力。

为了满足高速的测试节奏,太空探索技术公司正在重新配置明星基地的生产设施,拆除旧建筑,并准备增加组装厂的产能。与此同时,它正在建设一个新的组装厂。卫星基地生产设施的布局变更将持续到2024年。据太空探索技术公司首席执行官格温·肖特维尔(Gwen Shortwell)称,星际基地工厂建设完成并投入运营后,预计每周将生产三艘星际飞船飞船级。

(3)使用第三代猛禽发动机,进一步提高性能。

太空探索技术公司继续推动猛禽发动机的升级和改进。2023年5月,第三代猛禽发动机(Raptor V3)完成热试。测试中燃烧室压力达到35MPa,发动机在这样的燃烧室压力下稳定连续工作约45s,对应的发动机推力达到269t t,猛禽V1的推力为185t,猛禽V2为230t,猛禽V3比猛禽V2高17%左右。

随着猛禽发动机的升级,超重-星舰的性能将进一步提高。未来,33架猛禽V3配备的超重助推级将能够产生8878t的总推力,超重-星舰的运载能力在一次性使用状态下可以达到300t,重复使用状态下可以达到180t。

第四,总结与分析

(1)升级改进措施有效,部分实现测试目标。

鉴于首飞暴露出的问题,太空探索技术公司重点对超重的助推级和地面发射设施进行了升级,因此本次试飞的重点和难点主要集中在对助推级和热分离等技术的验证上。虽然超重助推级在分离后很快解体,星舰的飞船级可能触发了飞行中止系统,但需要注意的是,超重助推级的33台猛禽发动机在飞行过程中全部点火并继续工作,热分离成功。星舰飞船阶段的6台发动机点火时间较长,发射台经受住了起飞力热环境的考验。这些性能较其首飞时有了显著提高,证明了首飞后改进措施的有效性,试验目标部分实现。

(2)航天事业需要进取精神和大胆创新。

超重-星舰在短时间内提高了设计可靠性,这要归功于太空探索技术公司的进取精神和大胆创新。在太空探索技术公司的工程哲学中,“唯一需要遵循的原则是可以从物理定律推导出来的规则,其他一切都只是建议”。因此,太空探索技术公司更愿意接受飞行测试过程中的风险,而不是依赖地面测试,与传统的研发模式相比,它可以更快地发现问题和解决问题。就像这样,太空探索技术公司可以根据第一次试飞获得的大量实测数据,对超重星舰进行1000次以上的升级改进。

(三)有利于美国未来能力建设的布局空

空间运输能力是空之间能力建设的基础。未来,超重星舰的运载能力在一次性模式下可达300吨,在可重复使用模式下可达180吨,应用前景广阔。它不仅可以支持太空探索技术公司自己的低轨道巨型星座建设,还可以得到美国政府和军方的广泛支持,达成包括基于超重-星舰的月球载人运输能力、小行星探索框架、火箭货运能力等多项合作,并仍在与美国国家航空航天局和其他机构讨论推出一个更大的。特别是,美国国家航空航天局在超重星际飞船系统上投资了多达40亿美元,目标是在五年内让美国人重返月球。随着超重-星舰的快速迭代,当它投入使用后,美国的设施将迅速扩大,其容量将进一步领先世界。

附表1美国联邦航空局要求的整改项目清单:

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