SpaceX 公司星艦第二次飛行異常情況初步分析

蘇浩涵，陳 亮，于新宇，賈育豪，曹 軒，劉立志，劉城斌

（北京星際榮耀科技有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引 言

北京時間2023 年11 月18 日21 時01 分，美國太空探索技術(shù)（SpaceX）公司在德克薩斯州博卡奇卡的自建發(fā)射場[1]，進(jìn)行了星艦運(yùn)載火箭的第二次軌道級飛行。火箭升空后，順利通過了最大動壓，成功完成一二級熱分離，但是一級和二級在分離后經(jīng)過短暫的飛行，相繼發(fā)生爆炸，爆炸原因均為主動安控引發(fā)自毀，發(fā)射失敗。

本文不再贅述星艦的基本情況和研制歷程，只針對此次飛行任務(wù)，給出初步的飛行結(jié)果分析和異常現(xiàn)象分析。

1 飛行計劃

1.1 起飛前準(zhǔn)備

11月7日，SpaceX在完成了大部分準(zhǔn)備工作后，等待來自美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）授予的第二次飛行許可。

11 月9 日，馬斯克得到FAA 人員通知，審查內(nèi)容已完成，星艦隨即開始安裝安全自毀裝置。

11 月16 日，F(xiàn)AA 頒發(fā)許可，進(jìn)行T-48h（起飛前48 小時，下文一致）射前檢查，發(fā)現(xiàn)柵格舵伺服存在問題，拆下二級和熱分離環(huán)，連夜更換了4 臺柵格舵伺服中的3 個，并且將17 日的飛行計劃推遲到18 日。

11 月18 日，下午3 點(diǎn)，T—6h 封路啟動，人員撤離發(fā)射臺；下午7 點(diǎn)，T—2h 放行投票通過（各子系統(tǒng)按照預(yù)定程序給出放行投票），最終加注決定下達(dá)，開始做液氧過冷。

T—1h37min，一級開始加注，同時加注甲烷與液氧；T—1h17min，二級開始加注甲烷；T—1h13min，二級開始加注液氧；T—19min40s，發(fā)動機(jī)預(yù)冷啟動；T—59s，射前自檢啟動；T—40s，發(fā)射最終判定下達(dá)；T—10s，消防系統(tǒng)啟動，猛禽進(jìn)入點(diǎn)火程序；T—4s，水冷鋼板噴水啟動；T0s，火箭起飛。

1.2 飛行階段

根據(jù)早先計劃，火箭從墨西哥灣的博卡奇卡星艦基地起飛。牽制釋放已被提前解鎖，只要發(fā)動機(jī)推力超過自重，火箭就會起飛。

計劃在起飛50 s 后，火箭通過最大動壓。在起飛后2 分39 秒開始級間熱分離。在分離前，超重助推器會關(guān)閉33 臺發(fā)動機(jī)中的外圈20 臺和中間圈10 臺發(fā)動機(jī)，內(nèi)圈3 臺發(fā)動機(jī)也會節(jié)流至滿推力的50%。

超重助推器分離后會進(jìn)行返航點(diǎn)火和著陸點(diǎn)火兩次啟動，返航點(diǎn)火啟動33 臺發(fā)動機(jī)的中間13臺，著陸點(diǎn)火只啟動最內(nèi)圈3 臺發(fā)動機(jī)。

超重助推器最終在近海岸分離并在海面濺落，二級星艦將在夏威夷群島海域進(jìn)行再入大氣層。二級星艦將海上濺落，不會執(zhí)行著陸點(diǎn)火。

SpaceX公司認(rèn)為這是一次軌道級飛行測試，二級星艦飛行期間將會達(dá)到入軌速度，并且在150km到250km高度長時間滑行。

1.3 飛行后處理

如果超重助推器沒有在著陸時破壞，SpaceX將控制開啟推進(jìn)劑貯箱的排氣閥，使海水灌入貯箱沉沒[2]。

二級星艦在滑行段的飛行數(shù)據(jù)將通過全球各地的地面站接收，再入階段的數(shù)據(jù)將嘗試使用火箭上搭載的星鏈（StarLink）天線上傳至星鏈衛(wèi)星，再傳回地面分析。

二級星艦濺落后，SpaceX 相關(guān)團(tuán)隊(duì)會根據(jù)全球定位系統(tǒng)（GPS）信號在附近海域?qū)ふ一鸺钶d的數(shù)據(jù)記錄儀（黑匣子），并通過潛水員打撈回收。

2 飛行結(jié)果

2.1 起飛階段

猛禽發(fā)動機(jī)啟動程序從T—10s 開始，33 臺猛禽二代發(fā)動機(jī)交錯啟動，中間13 臺在T—2s 完成了啟動，T0s，間隔啟動均布10 臺，完成外圈20 臺啟動，這里中間13 臺使用的點(diǎn)火系統(tǒng)來自箭上，周圍20 臺發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)與供氣系統(tǒng)來自地面，同時錯峰啟動發(fā)動機(jī)可以有效改善點(diǎn)火瞬間振動環(huán)境對發(fā)動機(jī)啟動成功率的影響，此次起飛，33臺猛禽全部正常啟動。

圖1 發(fā)動機(jī)啟動順序

現(xiàn)場產(chǎn)生大量白色蒸汽，遠(yuǎn)景視角沒有出現(xiàn)混凝土顆粒掉落，水冷系統(tǒng)工作正常，在水冷鋼板的保護(hù)下，初步判斷防火水泥沒有出現(xiàn)大面積解體情況；在T+3s 火箭明顯移動，視覺上，尾焰略微偏斜向發(fā)射塔，箭體水平方向遠(yuǎn)離發(fā)射臺；T+10s，火箭尾部離開發(fā)射塔區(qū)域，此時火箭飛行速度已達(dá)到140 km/h，本次飛行相對于第一次飛行明顯以更快的速度使箭體離開了發(fā)射臺區(qū)域，并且水平移動較小。

圖2 火箭傾斜（右圖為第一次飛行）

發(fā)動機(jī)火焰清澈明亮，呈現(xiàn)甲烷富燃燃燒紫紅色，尾焰對稱，尾焰后方存在紅棕色煙霧，出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)生的顆粒物，掉落白色小顆粒物推測為凝霜，經(jīng)過尾焰膨脹羽流區(qū)域發(fā)生升華反射火焰光芒，除此之外無明顯助推器外附物脫落，助推器側(cè)面氣瓶整流罩完好，沒有破碎跡象。本次飛行，一級助推器發(fā)動機(jī)伺服全部更換為電動伺服，取消了原先在助推器側(cè)壁的液壓動力裝置[3]，因此不存在爆炸失效風(fēng)險。

圖3 紫紅色透明尾焰

2.2 最大動壓

飛行至52 s 時火箭達(dá)到最大動壓（Max Q），平穩(wěn)過渡，箭體沒有明顯變化，助推器33 臺發(fā)動機(jī)全部工作正常，直到進(jìn)入級間分離程序。最大動壓時，火箭飛行高度為6 km，飛行速度為1005 km/h，液氧與甲烷消耗量幾乎完全相同，甲烷消耗量略多，兩者均消耗一級總量的30～40%。

2.3 級間分離

根據(jù)發(fā)動機(jī)信息表顯示：2 分39 秒時，火箭按照計劃執(zhí)行一級大部分發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)順序與點(diǎn)火順序完全相反，最外圈20 臺先關(guān)對稱角度的5 臺，再對稱關(guān)5 臺，再全部關(guān)閉外圈發(fā)動機(jī)，中間圈10 臺在2 分40 秒關(guān)機(jī)，最內(nèi)圈發(fā)動機(jī)節(jié)流到50%推力，這樣的設(shè)計可以在保證二級火箭盡快離開一級的前提下，保證一級推進(jìn)劑始終沉底便于發(fā)動機(jī)二次啟動，此時火箭飛行高度為67 km，飛行速度為5664 km/h。

圖4 發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)順序

液氧與甲烷消耗量幾乎完全相同，但此時與最大動壓時刻相反，液氧消耗量略高于甲烷，推測可能存在混合比動態(tài)調(diào)整，猛禽二代的全流量分級與雙泵設(shè)計使其具備有較強(qiáng)的混合比調(diào)節(jié)能力與燃燒魯棒性。分離時一級液氧和甲烷消耗均超過90%。

發(fā)動機(jī)信息表顯示，關(guān)機(jī)完成后，一級助推器達(dá)到了速度峰值5663 km/h，隨后一級助推器速度開始降低，初步分析可知加速度大于重力加速度，存在負(fù)過載。分析認(rèn)為，熱分離時，二級開機(jī)噴流對一級具有較強(qiáng)作用力，至少超過3 臺50%節(jié)流的發(fā)動機(jī)推力。此時由于存在較大的加速度變化，推測一級助推器內(nèi)部推進(jìn)劑一定會出現(xiàn)漂浮晃動情況，可能會對箭體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大負(fù)荷，并一定程度上影響一級發(fā)動機(jī)二次啟動。

實(shí)際發(fā)動機(jī)畫面顯示，直到2 分41 秒才出現(xiàn)明顯的發(fā)動機(jī)變暗畫面，并且伴隨有發(fā)動機(jī)艙和熱分離環(huán)處大量氣體徑向外溢。推測熱分離環(huán)處存在二級真空發(fā)動機(jī)開機(jī)，大量燃?xì)獗环罒嵴忠飨驈较驍U(kuò)散，發(fā)動機(jī)艙在一級關(guān)機(jī)后，部分發(fā)動機(jī)在吹除時仍然會存在低溫推進(jìn)劑的氣化膨脹，在太陽光照射下存在反光，同時遙測反饋的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)際推力大幅度下降情況可能存在差異。此時飛行高度為分離點(diǎn)高度69 km，飛行速度為5636 km/h。

圖5 熱分離環(huán)亮度變化

2.4 一級掉頭與二次開機(jī)

2 分49 秒，一級助推器角度位置相對二級有大幅度變化，認(rèn)為分離完成，一級3 臺發(fā)動機(jī)搖擺改變一級姿態(tài)，同時發(fā)動機(jī)信息表從49 秒到51 秒顯示點(diǎn)燃了一級助推器中間10臺中的9臺發(fā)動機(jī)，右上角一臺發(fā)動機(jī)點(diǎn)火失敗，此后的17 s 內(nèi)，所有發(fā)動機(jī)相繼關(guān)機(jī)；

圖6 發(fā)動機(jī)故障順序

3 分18 秒，一級發(fā)動機(jī)艙發(fā)生爆炸，并伴隨持續(xù)的氣/液態(tài)物質(zhì)飛出；3 分20 秒～3 分21 秒，發(fā)動機(jī)艙再次爆炸，并緊隨著助推器劇烈爆炸，此時一級所在高度達(dá)到了90 km，速度為3818 km/h。

圖7 發(fā)動機(jī)艙爆炸

根據(jù)FAA信息，確認(rèn)飛行中止系統(tǒng)（FTS）啟動。分析認(rèn)為，發(fā)動機(jī)二次啟動存在較大問題，一種可能的故障原因?yàn)椋患壷破髟诮Y(jié)束級間分離后，迅速開始掉頭，一級二次點(diǎn)火，進(jìn)入返回流程，而在計劃中，二次點(diǎn)火在級間分離開始后12 s 進(jìn)行，實(shí)際過程只有不到8 s，縮短了1/3 的發(fā)動機(jī)準(zhǔn)備時間，因此，33 臺發(fā)動機(jī)內(nèi)部的管路存在3 種過載疊加情況：

1）加速度方向劇烈變化，管路內(nèi)部液體運(yùn)動導(dǎo)致閥門管路遭遇水錘沖擊；

2）火箭使用3 臺發(fā)動機(jī)搖擺來翻轉(zhuǎn)掉頭，管路在翻轉(zhuǎn)時存在橫向過載；

3）發(fā)動機(jī)二次啟動，大量閥門同時開啟，存在水錘沖擊；

這些疊加的載荷造成了部分發(fā)動機(jī)啟動失敗，管路破損，推進(jìn)劑泄露，同時引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成了更多的發(fā)動機(jī)的關(guān)機(jī)，姿態(tài)大幅度變化，在3 分21 秒，全部發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。在計劃中持續(xù)工作的3臺和二次啟動的10 臺發(fā)動機(jī)要工作到3 分47 秒，這表明全部發(fā)動機(jī)均為故障關(guān)機(jī)。火箭在發(fā)動機(jī)艙劇烈爆炸后，觸發(fā)了自毀門限，執(zhí)行自毀。

2.5 二級飛行情況

二級在一級飛行過程中，不斷有大量隔熱瓦掉落，集中在貯箱共底以及焊縫區(qū)域，表明在飛行期間，焊縫發(fā)生了一定的結(jié)構(gòu)變形，隔熱瓦無法適應(yīng)該處變形，破壞掉落；

2 分41 秒，執(zhí)行級間分離，計劃中二級同步開機(jī)點(diǎn)火，優(yōu)先啟動3 臺外圈真空版二代猛禽，由于中間3 臺海平面版猛禽距離熱分離環(huán)的隔熱罩只有幾厘米，因此開機(jī)時序稍晚，并且開機(jī)時需要擺開，讓出隔熱罩的頂端，分離后再擺回；

2 分44 秒，發(fā)動機(jī)信息表顯示，外圈3 臺開機(jī)，比計劃中要晚3 s；2 分45 秒，內(nèi)圈3 臺開機(jī)，此時二級飛行高度為71 km，速度為5671 km/h；

圖8 發(fā)動機(jī)啟動順序

2 分49 秒，一級姿態(tài)調(diào)整后畫面上可確認(rèn)6臺發(fā)動機(jī)全部啟動成功。3 分29 秒，一級爆炸，官方畫面重新回到二級，此時二級穿越100km 卡門線，飛行速度為6540km/h，液氧與甲烷均消耗總量的15～20%，甲烷消耗量略高于液氧；

7 分06 秒，出現(xiàn)羽流擴(kuò)散，7 分50 秒羽流消失，全程發(fā)動機(jī)信息表顯示全部發(fā)動機(jī)工作中，但是液氧消耗速率突然增加；7 分21 秒，高度下降到148 km 保持。8 分03 秒，發(fā)動機(jī)信息表顯示全部發(fā)動機(jī)突然關(guān)機(jī)，速度還在進(jìn)一步上升。

8 分08 秒，出現(xiàn)明顯大量氣體逸散，分析認(rèn)為此時執(zhí)行了自毀，飛行高度為148 km，速度為24124 km/h，數(shù)據(jù)全部停止變化，遙測失聯(lián)。此時液氧與甲烷剩余量均不足5%，液氧消耗量要高于甲烷。計劃中的二級關(guān)機(jī)時間為8 分33 秒；

圖9 氣體逸散

分析認(rèn)為，在第一次出現(xiàn)羽流擴(kuò)散時，存在液氧輸送管路的泄露，推進(jìn)劑泄露影響了發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，并且由于二級使用了液壓伺服，3 臺搖擺發(fā)動機(jī)共用一套液壓油輸送系統(tǒng)，單臺故障可能會引起3 臺的控制能力同時失效，火箭可能會因此姿態(tài)失控，引發(fā)自毀。

天體物理學(xué)家麥道威（Jonathan McDowell）根據(jù)直播時的數(shù)據(jù)推算，解體時二級火箭最終進(jìn)入了-1740 km×150 km 的橢圓軌道。如果沒有啟動安全自毀裝置，火箭將撞擊特克斯和凱科斯群島的東北部，可以據(jù)此判斷是由于姿態(tài)嚴(yán)重失穩(wěn)，飛行軌跡超出自毀門限引發(fā)了主動安控。

3 異常情況

3.1 起飛時的傾斜

在起飛時明顯看到火箭的偏移和傾斜，在第一次飛行時同樣發(fā)生，但是，馬斯克在第一次飛行后的采訪中表示，姿態(tài)傾斜是由于發(fā)動機(jī)故障導(dǎo)致的意外情況，在計劃中沒有讓火箭傾斜離開發(fā)射臺。

第二次飛行中，全部發(fā)動機(jī)工作正常，沒有額外影響的前提下，火箭依然發(fā)生了傾斜，原因還有待觀察。

3.2 隔熱瓦脫落

二級在一級飛行過程中，不斷有大量隔熱瓦掉落，集中在貯箱共底與焊縫區(qū)域，表明在飛行期間，焊縫處發(fā)生了一定的結(jié)構(gòu)變形，隔熱瓦無法適應(yīng)該處變形，破壞掉落。除此之外，全箭不存在明顯的結(jié)構(gòu)變形，在通過最大動壓階段火箭飛行平穩(wěn)，順利通過。

圖10 隔熱瓦脫落

3.3 發(fā)動機(jī)工作情況

火箭起飛時，尾焰后方存在紅棕色煙霧，認(rèn)為在起飛時，火箭主動調(diào)整了混合比，增加甲烷的消耗進(jìn)行不充分燃燒，火焰焰色反應(yīng)為紫紅色也證明了這一點(diǎn)。

一級二次啟動時間與箭體翻轉(zhuǎn)時間過于接近，且箭體翻轉(zhuǎn)速度過快，對管路產(chǎn)生了惡劣影響，二次啟動難度提高，存在部分發(fā)動機(jī)啟動失敗，和管路泄露，在密集的發(fā)動機(jī)布局情況下，極易引發(fā)連鎖反應(yīng)，此后剩余12 臺發(fā)動機(jī)陸續(xù)故障關(guān)閉。一級單一發(fā)動機(jī)問題引發(fā)了其他發(fā)動機(jī)問題，可能是發(fā)動機(jī)共用供氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常，或是泄露推進(jìn)劑在艙內(nèi)燃燒造成的影響。

圖11 紅棕色煙霧

3.4 二級液氧的快速消耗

二級飛行段存在液氧泄露，飛行直播數(shù)據(jù)顯示，液氧發(fā)生了快速消耗，在自毀前液氧所剩無幾，在二級通過卡門線時，剩余推進(jìn)劑還是液氧較多一些，在自毀啟動時，剩余甲烷更多些，這個差異主要是在7 分50 秒前后10 秒內(nèi)發(fā)生的突變。

圖12 推進(jìn)劑消耗對比

3.5 地面設(shè)備

發(fā)射后地面照片顯示，發(fā)射臺單側(cè)燒蝕痕跡教明顯，發(fā)射臺水冷鋼板表面正常，馬斯克認(rèn)為無需做任何處理。

圖13 發(fā)射臺燒蝕情況對比

二級加注連接器本應(yīng)起飛前快速分離并后撤，但是發(fā)射后畫面顯示，可能存在動作滯后現(xiàn)象，加注連接器固定支架被拽歪。

圖14 二級加注連接器

3.6 飛行終止系統(tǒng)

根據(jù)FAA 報道，兩次爆炸均來自安控裝置激活，兩次都瞬間引爆了貯箱，但是有地面觀測者拍到二級在自毀后，頂部載荷艙結(jié)構(gòu)完整，并沒有被破壞。

4 經(jīng)驗(yàn)與啟示

星艦基于第一次軌道級飛行中得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)均得到了有效落實(shí)。綜合來看，改進(jìn)措施大部分發(fā)揮了作用，阻止了“快速非計劃解體”（RUD）的提前到來。其中，最值得關(guān)注的是發(fā)射臺系統(tǒng)的升級改造和熱分離系統(tǒng)的驗(yàn)證，這兩點(diǎn)的成功證明了后續(xù)的試飛的可行性，有利于后續(xù)高效率飛行試驗(yàn)的進(jìn)行。考慮到星艦基地的快速生產(chǎn)能力，可以推測后續(xù)星艦的發(fā)射速度會大幅度提高。

從星艦的第二次試飛中可以看到其系統(tǒng)化的設(shè)計思想更趨向于邏輯閉環(huán)。比如，如果沒有推進(jìn)劑貯箱內(nèi)的二次啟動小貯箱[4]，在一級助推器熱分離時產(chǎn)生的過載下，箱內(nèi)推進(jìn)劑將無法及時沉底以完成發(fā)動機(jī)的二次啟動。反過來說，也正是因?yàn)樾≠A箱的存在使得熱分離成為一種可能的選擇。此外，一級外圈20臺發(fā)動機(jī)使用了地面供氣和點(diǎn)火系統(tǒng)，因此全程只具備一次啟動能力，但是卻大幅度提高了啟動成功率。支撐臺后倒、地面供氣系統(tǒng)連接器以及本次沒有使用的牽制釋放裝置三者共享一套作動系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

但是，星艦第二次飛行的取得的成果，并不真正意味著為前蘇聯(lián)N1 火箭[5]這類超多發(fā)動機(jī)并聯(lián)的設(shè)計給出了完美解決方案。此次飛行中，一級發(fā)動機(jī)二次啟動時管路遭受的大負(fù)載惡劣力學(xué)環(huán)境，也可能是多發(fā)動機(jī)同時啟動產(chǎn)生的振動耦合造成的。這也是所有從業(yè)者需要格外注意的關(guān)鍵點(diǎn)，一旦火箭在姿態(tài)和加速度大幅度變化時，同時存在發(fā)動機(jī)啟動、關(guān)閉或閥門開啟的動作，可能會造成疊加的惡劣力學(xué)環(huán)境超出設(shè)計余量，造成相關(guān)系統(tǒng)破壞。

5 結(jié)論

星艦在第二次飛行中完成了一級33 臺發(fā)動機(jī)正常啟動、級間熱分離、二級發(fā)動機(jī)正常啟動、一子級調(diào)頭等關(guān)鍵動作，但一二級均出現(xiàn)故障，最終受控自毀，并未取得成功。基于各方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，推測一級故障原因來自于發(fā)動機(jī)二次啟動時的惡劣載荷環(huán)境造成的管路閥門出現(xiàn)泄露問題。二級故障原因可能與液氧管路的泄露有關(guān)，誘發(fā)原因不明。

人類征服太空的征途從來不是坦途，但是每一次挫折后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷迭代進(jìn)化，再次向著目標(biāo)沖鋒正是人類最偉大的英雄主義精神！我們期待著星艦的下一次飛行！