SpaceX“超重-星艦”試驗驗證之路

龍雪丹（北京航天長征科技信息研究所）

1 引言

美國太空探索技術公司（SpaceX）正在研制“超重-星艦”（Super Heavy-StarShip）星際運輸系統，該系統采用船箭一體化設計，包括“超重”火箭級和“星艦”飛船級，兩級均可實現復用。它的目標運載能力超過100t，能將100 人送往月球、火星或其他遙遠目的地，或是繞地球飛行。SpaceX 公司計劃未來利用該系統替代其現有的獵鷹-9（Falcon-9）和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭?！俺?星艦”項目已獲得美國政府及軍方的投資，可用于美國國家航空航天局(NASA)重返月球計劃和軍方全球點對點貨物運輸。

“超重-星艦”星際運輸系統方案自2016 年公布以來，經過幾次重大的修改，在不斷驗證和修改中逐漸向可實現的方向發展。目前，“星艦”原型機已完成150m 低空試飛、10km 高空試飛，最早將于2022 年下半年完成入軌飛行試驗。本文重點關注“超重-星艦”項目試驗驗證情況，系統梳理SpaceX 公司的驗證理念，“超重-星艦”重點試驗項目及流程、試驗設施等，并對其特點進行總結分析。

2 SpaceX 公司的快速試錯理念

SpaceX 公司創始人埃隆·馬斯克出身硅谷，這讓SpaceX 公司繼承了部分硅谷的精神與互聯網基因，快速試錯（Fail Fast）理念就是其中之一?？焖僭囧e是硅谷鼓勵創新的基本原則之一，實際上就是在不斷試錯和完善中突破關鍵制約要素,獲得成功的過程。

傳統的航天系統工程主張在前期設計中暴露盡可能多的風險，以降低錯誤成本，因此在前期設計階段會投入很多時間和精力。而SpaceX 公司則更強調每一次完整迭代之后產生的經驗。按照SpaceX 公司的理論，它認為通過多次“設計、開發、試錯”進而實現完整迭代所帶來的經驗實際上降低了項目的整體成本。

于是，SpaceX 公司在其各型號項目中均遵循這種快速試錯的試驗理念，將成功建立在屢次失敗的經驗之上。例如：在驗證獵鷹-9 火箭一子級可重復使用技術過程中，利用多型驗證機進行試飛，積累了大量失敗經驗，最終該技術成功應用于飛行任務。在“超重-星艦”的產品開發中，SpaceX 也是通過頻繁試錯，實現設計的迭代和功能的優化，達到縮短開發時間的目的。這個做法類似于“獵鷹”系列運載火箭的開發過程。

3 “超重-星艦”項目重大試驗

在“超重-星艦”項目中，SpaceX 遵循快速試錯理念，建造了多型驗證機，并針對每一型驗證機開展一系列試驗，采用先地面、后飛行的步驟，依次迭代地開展試驗驗證。

地面試驗

在進行飛行試驗前，地面試驗通常必須經歷環境壓力測試、低溫壓力測試、射前演練、系留點火測試以及靜點火試車等步驟，每一項根據試驗結果決定執行次數。

在“星艦”研發早期，SpaceX 公司利用大直徑貯箱進行了多次環境壓力測試。后期的星艦SN 系列原型機均以環境壓力測試為開端，開啟一系列測試活動。試驗目的是在環境溫度下對受試貯箱進行加壓，以測試貯箱的結構強度。試驗中，利用氣態氮對貯箱進行加壓，最大壓力達7.1×10Pa，該壓力值比執行不載人軌道飛行任務時的工作壓力（6×10Pa）高出18%。SpaceX 公司的首批受試貯箱在連接上圓頂和貯箱壁的焊縫處出現故障而爆裂，故障的部位和方式均在預計范圍中，驗證了301 不銹鋼制造的貯箱的結構能夠滿足發射和飛行期間環境條件要求。后期受試貯箱通過測試，驗證了304L 不銹鋼材料和3mm厚度的可行性。

低溫壓力測試是證明飛行器適航性的重要測試，測試的成功意味著試驗可以繼續推進至下一階段。由于“超重-星艦”系統采用低溫推進劑，因此要模擬實際飛行條件，證實貯箱結構能夠滿足發射和飛行期間環境條件要求。試驗中，向貯箱內注入低溫液氮進行加壓，最大壓力達7.1×10Pa。研發前期受試的貯箱包括MK1 原型機、SN1 原型機、SN2 貯箱、SN3 原型機、SN4 原型機等。MK1 原型機在壓力達到3～5×10Pa 時發生損壞，貯箱圓頂被沖開。針對MK 原型機的問題，SpaceX 公司改進了貯箱制造方法，采用了連續不銹鋼連接環（僅有1 個焊接點）、優化了圓頂結構，并對焊接進行了改進。然而，改進后的星艦SN1 原型機仍然在低溫壓力測試中失敗。故障發生的位置是發動機部分和推力結構。為此，SpaceX 公司對后續貯箱的焊接和推力結構進行了改進。經過兩次失敗后，SpaceX 公司終于在2020 年3月8 日利用SN2 大直徑貯箱首次通過低溫壓力測試。2020 年4 月3 日，SpaceX 公司利用星艦SN3 原型機進行低溫壓力時卻再次遭遇了失敗，故障原因可能是測試操作錯誤，由于使用液氮代替甲烷時，重量超出設計，而底部的液氧加壓不足，壓力不足以支撐上壓力而導致了原型機坍塌。經歷上述一連串的失敗，星艦研發團隊總結了經驗教訓，終于在2020 年4 月利用星艦SN4 原型機成功完成了低溫壓力測試，使該原型機成為星艦SN 系列首個通過低溫壓力測試的原型機。

在原型機通過環境壓力測試和低溫壓力測試后，研發團隊將對原型機進行射前演練。試驗目的是對發射前的所有環節進行實測。按照發射流程，利用液氧/甲烷推進劑，演示燃料加注至發動機點火前的全流程。演練的次數為1～2 次。一旦通過射前演練階段測試，就可以開始為原型機裝配“猛禽”（Raptor）發動機，為下一步靜點火試車做準備。

在“星艦”研制早期，SpaceX 公司對“星跳者”（Starhopper）驗證機進行過兩次系留試驗，均獲成功。其目的是驗證“星跳者”驗證機系統的穩定性和平衡性，發動機點火的安全性、確認火箭系統與地面設施的接口及確認發射前倒計時程序。在測試中，驗證機發動機點火，時長持續3～5s。驗證機達到1m 高度（系繩極限）。

后期，研發團隊在歷次飛行試驗前都要對原型機進行多次靜點火試車，目的是檢驗動力系統的協調性和匹配性。試驗中，發動機點火時長幾秒至幾十秒不等，試車次數取決于試驗結果。在原型機靜點火試車過程中也曾發生多次意外情況。例如：2020 年5 月29 日，SpaceX 公司對裝配了一臺“猛禽”發動機的SN4 成功進行了靜點火測試，約2min 后，SN4被一個大火球吞噬，隨后引發了爆炸，爆炸前幾秒原型機底部出現大范圍燃料外泄。2020 年11 月12 日，SpaceX 公司對星艦SN8 原型機進行了3 次靜點火試車，在第三次試驗過程中，短暫地點燃了SN8 配備的3 臺猛禽液氧/甲烷發動機，但測試結束后不久，可以明顯看到一些材料從SN8 的底座上滴落下來。造成故障的原因是液氧貯箱壓力上升，原型機失去了氣動裝置。

飛行試驗

“星艦”飛船級的飛行鑒定試驗分3 個階段進行：第一階段是低空飛行試驗，飛行高度約150m。第二階段是高空飛行試驗，飛行高度約10km。第三階段是軌道級試飛，飛行高度將達20km。2019 年7 月－2021 年7 月，SpaceX 公司對8 架“星艦”原型機進行了試飛，每架原型機都具有不同的配置。所有試飛都是在位于南得克薩斯博卡奇卡進行的。

SpaceX 公司先后對“星跳者”驗證機、SN5 和SN6 原型機進行了150m 高度的試飛,目的是驗證“星艦”的導航系統、全不銹鋼箭體的結構強度、新型著陸支腿，以及其他一些基本功能。試驗中，在大約60s 的時間內（全程燃燒），驗證機上升到150m 的預定高度，橫移一段距離，展開支腿，并平穩回落到約100m 外的著陸場，實現軟著陸。

SpaceX 公司先后對SN8，SN9，SN10，SN11和SN15 原型機進行了10km 級的高空試飛。高空飛行試驗旨在測試多個目標，包括3 臺“猛禽”發動機的性能、飛行器整體空氣動力學再入能力、著陸前飛行姿態控制調整、機身襟翼控制、推進劑供應貯箱轉換等。在此過程中不斷優化和改進設計，包括提高發動機的技術成熟度、提高不銹鋼結構加工后的密封性等。SpaceX 公司利用配置3 臺“猛禽”發動機的星艦SN 系列原型機進行測試，在飛行過程中，起飛約1min40s 時，關閉一臺發動機，起飛后約3min，第二臺發動機關機，最后一臺發動機于起飛后4min 關機。在起飛后約5min，原型機調整至水平姿態，驗證星艦從軌道返回時需要采用的水平滑行方式。當原型機接近地面時（著陸前10s，距離地面250～500m），自動調整前后襟翼，利用尾部的姿控推力器，同時重啟2 臺“猛禽”發動機，執行翻轉機動，再次將原型機的姿態從水平狀態調整至垂直狀態。隨后，一臺發動機關機，只剩一臺發動機工作。在起飛后約6min 時著陸。

2022 年下半年，SpaceX 公司將在得克薩斯州的星艦基地對“超重-星艦”原型機進行軌道飛行試驗。發射之后大約170s，“超重”助推級將分離并返回著陸在墨西哥灣距離海岸大約20 英里的地方。而“星艦”飛船級將繼續進行軌道飛行，最后將在地點為距夏威夷考艾島西北海岸大約100km 以外的一片海域進行軟著陸。

試驗目的是盡可能地收集測試數據，以便更好地通過計算機模型進行復原及預測，此次測試的結果將用來設計改進以在內部模擬中建立更好的模型。首飛前的工作重點包括4 個方面：①“星艦”的熱防護瓦；②“超重”的發動機熱防護；③地面的燃料庫；④“星艦”的臍帶臂。

受試原型機可能是“星艦S24+超重B7”組合，這兩型原型機目前正在“星基地”（Starbase）進行地面試驗。

4 試驗設施

SpaceX 公司參與“超重-星艦”的試驗設施包括麥格雷戈研發試驗設施以及位于博卡奇卡的“星基地”。其中前者負責主動推進部件的測試，后者負責原型機測試。

麥格雷戈研發試驗設施

麥格雷戈火箭研發和測試設施位于一個前美國軍用炸藥工廠的場地上，過去15 年來一直在測試“獵鷹”系列火箭、“龍”（Dragon）飛船和“星艦”的部件，并支持每一個項目的開發。SpaceX 公司所有的火箭發動機都在此進行測試。該基地距離博卡奇卡的發射設施大約7h 車程。

麥格雷戈測試場共有16 個專門的測試臺，每天18h、每周6 天持續工作?！俺?星艦”所采用的“猛禽”發動機在這里進行試驗?；鸺闹饕考诩永Ｄ醽喼莸幕羯；鸺S制造和組裝后，用于飛行的每一個主動推進部件幾乎都要在麥格雷戈進行測試。以“獵鷹”火箭為例，其一子級所采用的灰背隼-1D（Merlin-1D）發動機要在麥格雷戈進行單獨測試后才能運回霍桑，安裝在助推器上，隨后再將整個子級運回麥格雷戈，進行靜點火試車?！矮C鷹”火箭的二子級和灰背隼-1D 真空發動機，以及所有“龍”飛船和“超級天龍座”（SuperDraco）發動機也執行完全相同的過程?！靶桥灐彼捎玫摹懊颓荨卑l動機和冷氣推力器也是如此。

博卡奇卡生產試驗設施

博卡奇卡生產試驗設施被SpaceX 公司命名為“星基地”，也被稱為博卡奇卡發射場，目前負責“超重-星艦”的開發生產以及測試，未來還將承擔發射“超重-星艦”的任務。

博卡奇卡生產試驗設施位于南得克薩斯州靠近博卡奇卡村和布朗斯維爾（美國得克薩斯州最南部城市），坐標25°59′15″（N）,97°11′11″（W），是由SpaceX 公司建造的私人火箭生產設施、測試場和太空港，位于得克薩斯州布朗斯維爾以東約32km，在得克薩斯州的南帕德雷島、伊莎貝爾港和布朗斯維爾附近，靠近博卡奇卡村。選擇此處修建發射場主要是因為該地區具有東風飛越的飛行路徑，并且位于盡可能往南的位置，以便利用地球的旋轉速度。

SpaceX 公司在博卡奇卡的生產試驗設施由生產區域和發射區域兩部分組成。兩個區域距離約2km，通過4 號公路連接。博卡奇卡發射區域總體可分為3個部分：亞軌道發射區、軌道發射區和直播區。其中，亞軌道發射區和直播區已投入使用，軌道發射區各設施大多處于在建狀態。亞軌道發射區主要包括兩個亞軌道發射臺、燃料罐區、貯箱測試區和著陸場。除上述設施外，SpaceX 公司正在繼續研究擴建博卡奇卡設施，包括在現有軌道發射臺旁再建第二個軌道發射臺，兩個發射臺都有各自的綜合塔。

目前，博卡奇卡正在24h 不間斷地建造“星艦”原型機部件，并且頻繁地關閉博卡奇卡海灘和4 號高速公路，以便SpaceX 公司進行測試。

5 總結

堅持“小步快走”的快速試錯驗證模式，加快研發速度

在“超重-星艦”項目中，其原型機的開發速度極快。SpaceX 公司從公布項目到首臺驗證機的建成,僅僅用了3 年，隨后,又通過大量的驗證機實測來實現技術和設計的不斷迭代。SpaceX 公司認為，與其建造一個非常先進且昂貴的原型機，不如快速制造出廉價的驗證機，通過多次測試逐步驗證關鍵技術，實現快速迭代。SpaceX 公司依靠快速的“設計-建造-測試”周期，根據快速試錯獲得的經驗為設計提供信息，并且利用“快速螺旋型開發”模式在研發過程中繼承以往的設計成果。從目前進展看，這種“小步快走”的快速試錯驗證模式保證了項目整體的研發速度和成本控制。

重視試驗的充分性，為設計改進提供支撐

在“超重-星箭”項目上，SpaceX 通過大量的地面試驗結合飛行試驗，考核驗證相應設計的正確性，主要包括：在麥格雷戈進行發動機測試，在真實動力學環境下驗證發動機；在博卡奇卡發射場進行硬件閉環仿真測試，驗證硬件-軟件與全系統組件的集成；在發射場進行射前的靜點火測試，驗證在真實動力環境下硬件-軟件與全系統組件的集成；極限條件下鑒定測試驗證硬件性能。SpaceX 公司在每個設計/環境組合中進行鑒定測試：驗證了304L 不銹鋼材料的適用性和箭體厚度由4mm 降至3.6mm 的可行性；分階段開展了大量的飛行試驗；在2 年時間內利用10 架“星艦”原型機成功完成了150m 低空試飛和10km 高空試飛等。通過低空試飛，SpaceX 公司證明了大推力發動機偏置用于垂直起降的可行性。隨后進行的高空試飛中出現的硬著陸等問題推動了星箭的數百項設計改進，最終證明了“猛禽”發動機的性能、飛行器整體空氣動力學再入能力、著陸前飛行姿態控制調整能力，快速實現了關鍵技術和設計方案的不斷迭代。

建設專用地面配套基礎設施，提前布局，精準規劃

在地面配套基礎設施建設方面，SpaceX 公司選擇了在南得克薩斯州的博卡奇卡建設專門用于“超重-星艦”的制造、裝配、試驗和發射的配套設施，未來還計劃在該地區建造第二個軌道發射平臺和推進劑制造設施。這樣的選址主要考慮該地區具有東風飛越的飛行路徑，地理位置偏南，以便利用地球的旋轉速度。在此基礎上，可以省去運載火箭在兩地之間的運輸，縮短了火箭從廠房到發射臺以及回收操作的時間，提高了任務的整體效率，能夠滿足未來“超重-星艦”高密度發射和回收的需求。此外，針對重型火箭對地面設施提出的新需求，SpaceX 公司引入軌道級發射架、專用大型燃料庫等專用設施，做到了科學編制，統籌發展。