星舰第五飞:首战告捷原位捕获超重型

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划重点

01SpaceX成功完成星舰第五飞,首次尝试捕获超重型火箭并验证精准再入及着陆能力。

02此次测试标志着SpaceX已基本掌握星舰系统的发射、入轨能力、软着陆技术,大幅提升星舰测试进度。

03为此,SpaceX放弃现役猎鹰火箭只能部分回收复用的模式,转而设计全新的着陆回收系统。

04星舰第五飞与第四飞、第三飞的预定轨道相同,飞行40分钟、绕地飞行半圈后,成功溅落在南印度洋。

05未来,SpaceX将继续加速推进星舰成熟进程,为第六飞、第七飞提供强有力的支撑。

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星舰试飞6年来、星舰基地创建十年来,终于迎来最具挑战性和颠覆性测试飞行——星舰第五飞,果然不负众望,一飞惊天下。首次尝试并成功捕获超重型火箭,并验证星舰精准再入及着陆能力,足以证明SpaceX现已基本掌握星舰系统的发射、入轨能力、软着陆技术,从而大幅提升星舰测试进度,加速推进星舰成熟进程。

●发射速览

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●解析全过程

时隔128天,星舰第四飞后,终于上演星舰第五飞。

美中夏令时10月13日早间7:25(北京时间10月13日晚间20:25),位于德州博卡奇卡星舰基地1号轨道发射位(又称A发射台),编号B12+S30这对星舰组合体磅礴而起,开始星舰第五次跨大气层轨道测试飞行,开启最富挑战性和颠覆性的火箭回收尝试。

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IFT-5发射升空前的操作流程与IFT-4基本相同。尤其是为一二级加注推进剂以及加注液氧、甲烷顺序都相同,都是先为星舰飞船加注、再为超重型加推进剂,先加注液态甲烷再加注液氧。最大不同点在于,这次第五飞比第四飞足足提前50分钟开始加注推进剂,而结束加注时间点却相同。这意味着测试团队有意延长加注时间,以便有更多时间监测整个星舰系统加注过程的健康状况,而不再一味追求缩短加注时间。

T-01:15:00,即发射倒计时1小时15分,星舰发射总监开始确认各部门预备状况,并且投票决定是否加注推进剂,核准后下达加注指令。

T-00:00:30,倒计时30秒,发射总监下达GO发射指令。T-00:00:08,倒计时8秒,启动发射台喷水降噪系统。

T-00:00:02,倒计时2秒,超重型B12发动机控制器启动点火程序。33台猛禽发动机全部点火。

▲T+00:00:02,超重型B12+星舰S30组合体从1号发射台磅礴起飞。此时此刻,时针指向:美国中部时间2024年10月13日上午7点25分(北京时间2024年10月13日20点25分)。

T+00:00:59,星舰组合体通过最大空气阻力点(Max-Q),即火箭经受空气动力应力峰值。

T+00:02:46,超重型B12按时关闭30台猛禽发动机,只保留3台中心发动机点火,并以50%推力运行。这一操作与IFT-2、IFT-3、IFT-4几乎相同,为接下来热分离做准备。但对比第四飞,这次第五飞提前了8秒。不仅如此,接下来针对超重型火箭的一些操作或多或少有所提前。比如,热分离提前4秒;返航点火提前1秒;抛弃热分离环提前9秒;着陆点火提前10秒。这意味着测试团队有意降低超重型的飞行高度和速度,有助于提高首次尝试捕获的成功率。

T+00:02:41,启动热分离,先是星舰飞船S30启动6台猛禽发动机点火程序,随即超重型和星舰飞船之间的连接解锁,通过发动机尾流推力作用到超重型顶部的热分离环,顺利实现一二级分离操作。这是星舰第四次成功进行热分离操作(IFT-2、IFT-3、IFT-4、IFT-5)。热分离后,B12开始翻转机动,为返航调整姿态。

T+00:02:48,B12启动返航点火,重新点燃中间圈和内圈的13台发动机,持续点火1分多钟。

T+00:03:43,B12抛弃火箭顶部的热分离环,这是继星舰第四飞之后第二次执行这类操作,目的是减轻返航时的火箭质量,提高着陆回收的精度。热分离环重约9吨,高约1.8米,从星舰第二飞(IFT-2)开始使用。据悉,第二代星舰将使用更轻的热分离环,不再采用不可复用的抛弃型,而是永久固定在超重型火箭顶部,与火箭主体一样可完全复用。

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T+00:06:08,B12达到超音速。

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T+00:06:31,启动着陆点火,也就是启动中圈和最内圈13台发动机点火。

第五飞与前四飞的最大不同点:首次尝试捕获超重型。

T+6分50秒,这个时间点正是分水岭。根据星舰测试团队预设程序,此时此刻,一旦达到尝试捕获条件,B12开始进入捕获程序。在返回发射场和捕获超重型之前,来自超重型火箭和发射台的所有监测数据全都达到数千个条件阈值。也就是说,只有在超重型火箭和发射塔运行正常、状态良好的情况下,由发射任务总监确认并发送指令,才会让超重型飞回发射塔,尝试空中捕获。反之,未达到尝试捕获条件,直接启动B12海上溅落程序。也就是说,当系统检测出超重型火箭或发射塔出现不可接受的状况,超重型火箭会默认进入着陆点火程序,不会冒然飞回发射塔尝试捕获,直接受控软着陆于墨西哥湾

B12果然不负众望,一路飞回发射塔,被誉为筷子/机械酷斯拉的机械臂开始尝试捕获超重型,结果首次尝试大获成功!顺利捕获B12。

具体来看捕获过程:T+00:06:31,B12先点燃13台发动机,反推减速,为降落做准备;T+00:06:37,B12在距地面约800米时,关闭其中6台发动机,只保留3台让火箭垂直缓降状态。

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T+00:06:53,当机械臂水平处在超重型2/3箭体位置时,火箭短暂悬停,机械臂立即靠拢并抓取超重型。具体通过两侧导轨上的插槽与超重型栅格翼下方的两个挂载点对齐,接触,抓取,稳定箭体。

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T+00:06:55B12关闭发动机,筷子首次夹住超重型,一举实现首次空中捕获火箭的创举。此时此刻,历史时刻锁定美国中部时间2024年10月13日上午7:57:30(北京时间2024年10月13日21:57:30)。

此前,马斯克预测首次捕获成功率仅为50%;专业人士大都评估不到50%;X平台上的星舰粉丝团预测成功率75%;只有SpaceX副总裁格尔斯腾迈尔间接传递更高的成功率,披露星舰第四飞B11以0.5厘米回收精度模拟穿过机械臂,为第五飞首次尝试捕获彰显自信心。

▲现场目击者拍下B12飞回发射塔,被筷子夹住的惊人一幕‍‍‍‍‍‍‍

我们知道,使用机械臂捕获回收超重型火箭,唯一正确方式就是快速合拢机械臂,精准接住火箭的挂载点,而不是硬性夹住箭体本身,更不是空中截住栅格翼。如果采取这些简单粗暴地捕获方式,非但不会安全有效地回收超重型火箭,相反会造成不堪设想的后果。轻则箭体严重受损,无法复用;重则直接撞破甲烷舱,导致火箭爆炸。为此,星舰团队针对机械臂进行过多项加固和训练。采用新式缓冲装置(防撞器或称保险杠),使用压缩金属结构,而不是之前使用的泡沫或橡胶材料。摒弃了之前的保守思路:虽然使用泡沫或橡胶材料可以起到更好缓冲效果,但同时降低了接住挂载点的精准度以及箭体姿态的平稳度,从而使得捕获过程变量太多,变得不可控。测试团队相信,只要每次实测都能有效、逐步提高机械臂接住挂载点的精准度,迟早会掌握精准捕获技术。

一二级分离后,星舰S30的6台猛禽发动机持续点火。

T+00:08:27,即升空8分27秒,3台真空发动机关机熄火;升空8分36秒,3台海平面版发动机关机。S30开始以26498公里/小时的速度在150公里高度入轨,入轨轨道:-50×235公里,赤道倾角26.5°。星舰第五飞与第四飞、第三飞的预定轨道相同。

飞行40分钟、绕地飞行半圈后,T+00:48:03,S30飞行至80公里高度时,以类似航天飞机的姿态开始再入大气层。其实,早在升空45分钟,直播画面显示,星舰迎风面开始显现橘红色,而且越来越明显。这是由于星舰高速飞行与大气摩擦升温出现的等离子体场。随着飞行高度降低,高温等离子场显现越加明显。S30开始勇闯大气层,这是继S29、S28之后第三艘勇闯再入鬼门关的星舰飞船。

幸运的是S30与S29一样成功闯过了鬼门关。这种幸运背后,实则是快速迭代的结果。星舰团队对S30热防护系统进行全面改造,技术人员花了12,000多小时更新1.8万块隔热片,不仅采用新式隔热片,而且使用冗余烧蚀层,还为襟翼结构之间增加保护措施(仍有少许被烧穿,但比第四飞明显改善),以及优化再入操作的软件程序,力求对之前试飞进行改进,最终让星舰实现精准软着陆。

S30与上次S29飞行轨迹相似,目标溅落在南印度洋(南纬25°, 东经54°)。该飞行路径由于无需再入点火减速,因此最大限度提高了公共安全,同时仍可提供以受控再入、精准软着陆为主要测试目标的实战机会。

S30成功闯过再入大气层后,上演另一个高难动作:神龙摆尾。来自星链实时传送的高清直播画面显示,▲T+01:05:15,星舰飞船开始演绎翻转机动(转身着陆 Landing Flip)和着陆点火(Landing Burn),直到水面软着陆。这是星舰史上第三次成功演绎这一高难动作。2021年5月5日SN15高空试飞时首次演绎,2024年6月6日S29轨道级试飞时首次演绎,2024年10月13日S30再度上演神龙摆尾。

T+1:05:43,S30成功溅落在南印度洋既定海域,T+1:05:44随即触发AFTS自动引爆,全程飞行1小时5分43秒。S30成为继S29之后,第二艘成功闯过再入阶段的星舰,第二艘再入之后上演翻转机动、着陆点火的星舰;第二艘实现水面软着陆的星舰;第二艘飞越半个地球、飞满全程的星舰。

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●测试评价

星舰第五飞,是星舰试飞6年来、星舰基地创建十年来,SpaceX迎来的最具挑战性、最具颠覆性测试飞行。首次尝试并成功捕获超重型火箭,并且验证星舰精准再入及着陆能力,足以证明SpaceX已基本掌握星舰系统的发射、入轨能力、软着陆技术,从而大幅提升星舰测试进度,加速推进星舰成熟进程。这标志着星舰研发取得重大突破,为接下来的第六飞、第七飞加速迭代提供强有力的支撑。

●颠覆式回收

为了全面实现星舰快速完全复用,SpaceX放弃现役猎鹰火箭只能部分回收复用的模式,转而设计全新的着陆回收系统,利用原位发射与回收技术,采用发射塔架机械捕获的新模式。在超重型火箭和星舰飞船返回着陆时,通过机械臂采用「筷子夹」的方式,将超重型火箭或星舰飞船接住,放回发射架,准备再次飞行。

星舰采用原位发射与回收技术的关键点:对超重型火箭、星舰飞船的飞控精度要求极高,对悬停能力要求很高;对机械臂智能化抓取能力要求很高;对整套发射与回收系统的软硬件要求很高。

这种貌似魔法般的火箭回收系统,不仅可以减轻超重型火箭质量及复杂度,降低对着陆缓冲系统的研制难度,而且大大降低发射成本,大幅缩短火箭复用周期。最终目标是在同一发射位每天可实现多次发射和回收星舰的能力,飞行间隔与航空客机相当,以满足太空加油所需的高频发射星舰,从而实现在短暂窗口期密集发射火星航班,或者满足地球圈点对点超高速运输。

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●星舰主角

这次发射星舰双主角:超重型火箭B12+星舰飞船S30,仍属于第一代星舰(Starship V1),用于研发阶段快速迭代与技术验证。

全舰高度121.3米,发射质量~5000吨,推进剂质量4600吨(B12:3400吨+S30:1200吨),干质量395吨(B12:275吨+S30:120吨)。几乎是土星五号火箭的两倍重量、高出10米;星舰是苏联N1登月火箭的两倍重量、高出16米;星舰是航天飞机+SLS组合体的三倍重量、高出两倍多;星舰是现役SLS太空发射系统的两倍重量、高出24米。

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作为星舰系统的第一级(又称助推器),B12箭高71米,直径9米,干质量275吨,推进剂最大加载量3400吨,全功率起飞推力可达7590吨力。装配33台猛禽发动机(20台固定式+13台摆动式)。采用第二代猛禽海平面版发动机,海平面推力230吨,比第一代猛禽推力提升25%。

第五飞的B12与第四飞的B11几乎是双胞胎。只有一小部分变化:覆盖COPVS外盒的星链天线统一成方形;火箭裙边由黑色材料变成闪闪发亮的原色不锈钢;液氧舱外侧AFTS(自动飞行终止系统)外壳重新设计。B12于2023年6月开始组装,年底完成。经历三次低温加压测试、一次全发动机涡轮启动测试、一次全发动机静态点火测试,以及与S30三次堆叠合体。B12自带划时代光环——成为首枚原位返航并被成功捕获回收的超重型火箭。

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作为星舰系统的第二级(又称星舰飞船级),S30船高50米,直径9米,干质量120吨,推进剂加载量1200吨。装配6台猛禽发动机(3台海平面版+3台真空版),最大推力1250吨。采用第二代猛禽发动机,海平面推力230吨,真空版推力258吨,比第一代猛禽推力提升25%。

S30对比第四飞星舰S29,最大变化是更换全部1.8万块隔热片,在不锈钢蒙皮表面涂上烧蚀材料作为辅助隔热层,再贴装新款隔热片。据马斯克声称,换新隔热罩的强度是原来的两倍。除了隔热罩全部换新外,其他改动包括:襟翼结构间增加保护措施;液氧舱、甲烷舱排气口都经过重新设计;6个头锥星链天线从背风面移至迎风面;2个星链天线重新调整至有效载荷舱口附近;拆除载荷舱口旁边的三角形摄像头。S30经历过三次低温加压测试、两次全发动机静态点火测试。更换过至少1台真空猛禽发动机,以及与B12三次堆叠合体。S30仍属于第一代测试版原型星舰,也不是最后一艘第一代星舰,后续者还有S31。正在建造中的S33才是第二代星舰,属于重大升级款。

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●星舰开发超简史

从2019年开始,SpaceX在美国德克萨斯博卡奇卡星舰基地,正式启动星舰原型机制造、测试、试飞,遵循快速迭代试错理念,先后建造了星虫(Starhopper)、MK系列(Starship MK)、SN系列(Starship No.X)三代星舰原型机。针对每一代原型机开展一系列试验,采用先地面后飞行、先缩比样机到全尺寸样机、先星舰后超重型的步骤,依次快速迭代地开展各项试验。飞行试验包括3个阶段:第一阶段低空试飞,最大飞行高度150米;第二阶段高空飞行试验,最大飞行高度12.5公里;第三阶段轨道级试飞,最大飞行高度234公里。从2019年4月3日首次试飞星虫,一直到2024年10月13日执行星舰第五次轨道级发射,总计发射16次:包括6次低空飞行、5次亚轨道飞行、5次跨大气层轨道飞行。其中,星虫(Starhopper)、SN5(星舰原型机5)、SN6(星舰原型机6)共执行6次低空飞行,全部成功。SN8(星舰原型机8)、SN9(星舰原型机9)、SN10(星舰原型机10)、SN11(星舰原型机11)、SN15(星舰原型机15)共执行5次亚轨道飞行,全部成功发射、1次成功着陆。B7/S24(超重型火箭B7+星舰S24)、B9/S25(超重型火箭B9+星舰S25)、B10/S28(超重型火箭B10+星舰S28)、B11/S29(超重型火箭B11+星舰S29)、B12/S30(超重型火箭B12+星舰S30)执行5次跨大气层轨道试飞,全部成功发射升空,测试目标大部分达成。星舰五次轨道级测试飞行列表如下▼

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SpaceX星舰项目继承了猎鹰火箭的快速迭代研发理念,利用多次「设计-建造-测试」的循环流程,及时为设计提供系统实测数据,实现快速、多点、及时的迭代特点,摒除了传统系统工程中过于关注测试的全面性,不能反复的缺点。马斯克认为,任何特定的技术开发,都可以用迭代的次数和每次迭代之间的间隔时间来衡量。每次发射或测试,都能获得实战经验。因此要增加发射和测试的频率。牺牲硬件总比牺牲时间要好。时间才是终极货币。这正是星舰实现快速完全复用的最快途径。