SpaceX“超重-星舰”试验验证之路

龙雪丹（北京航天长征科技信息研究所）

美国太空探索技术公司（SpaceX）正在研制“超重-星舰”（Super Heavy-StarShip）星际运输系统，该系统采用船箭一体化设计，包括“超重”火箭级和“星舰”飞船级，两级均可实现复用。它的目标运载能力超过100t，能将100 人送往月球、火星或其他遥远目的地，或是绕地球飞行。SpaceX 公司计划未来利用该系统替代其现有的猎鹰-9（Falcon-9）和“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭。“超重-星舰”项目已获得美国政府及军方的投资，可用于美国国家航空航天局(NASA)重返月球计划和军方全球点对点货物运输。

“超重-星舰”星际运输系统方案自2016 年公布以来，经过几次重大的修改，在不断验证和修改中逐渐向可实现的方向发展。目前，“星舰”原型机已完成150m 低空试飞、10km 高空试飞，最早将于2022 年下半年完成入轨飞行试验。本文重点关注“超重-星舰”项目试验验证情况，系统梳理SpaceX 公司的验证理念，“超重-星舰”重点试验项目及流程、试验设施等，并对其特点进行总结分析。

SpaceX 公司创始人埃隆·马斯克出身硅谷，这让SpaceX 公司继承了部分硅谷的精神与互联网基因，快速试错（Fail Fast）理念就是其中之一。快速试错是硅谷鼓励创新的基本原则之一，实际上就是在不断试错和完善中突破关键制约要素,获得成功的过程。

传统的航天系统工程主张在前期设计中暴露尽可能多的风险，以降低错误成本，因此在前期设计阶段会投入很多时间和精力。而SpaceX 公司则更强调每一次完整迭代之后产生的经验。按照SpaceX 公司的理论，它认为通过多次“设计、开发、试错”进而实现完整迭代所带来的经验实际上降低了项目的整体成本。

于是，SpaceX 公司在其各型号项目中均遵循这种快速试错的试验理念，将成功建立在屡次失败的经验之上。例如：在验证猎鹰-9 火箭一子级可重复使用技术过程中，利用多型验证机进行试飞，积累了大量失败经验，最终该技术成功应用于飞行任务。在“超重-星舰”的产品开发中，SpaceX 也是通过频繁试错，实现设计的迭代和功能的优化，达到缩短开发时间的目的。这个做法类似于“猎鹰”系列运载火箭的开发过程。

在“超重-星舰”项目中，SpaceX 遵循快速试错理念，建造了多型验证机，并针对每一型验证机开展一系列试验，采用先地面、后飞行的步骤，依次迭代地开展试验验证。

地面试验

在进行飞行试验前，地面试验通常必须经历环境压力测试、低温压力测试、射前演练、系留点火测试以及静点火试车等步骤，每一项根据试验结果决定执行次数。

在“星舰”研发早期，SpaceX 公司利用大直径贮箱进行了多次环境压力测试。后期的星舰SN 系列原型机均以环境压力测试为开端，开启一系列测试活动。试验目的是在环境温度下对受试贮箱进行加压，以测试贮箱的结构强度。试验中，利用气态氮对贮箱进行加压，最大压力达7.1×10Pa，该压力值比执行不载人轨道飞行任务时的工作压力（6×10Pa）高出18%。SpaceX 公司的首批受试贮箱在连接上圆顶和贮箱壁的焊缝处出现故障而爆裂，故障的部位和方式均在预计范围中，验证了301 不锈钢制造的贮箱的结构能够满足发射和飞行期间环境条件要求。后期受试贮箱通过测试，验证了304L 不锈钢材料和3mm厚度的可行性。

低温压力测试是证明飞行器适航性的重要测试，测试的成功意味着试验可以继续推进至下一阶段。由于“超重-星舰”系统采用低温推进剂，因此要模拟实际飞行条件，证实贮箱结构能够满足发射和飞行期间环境条件要求。试验中，向贮箱内注入低温液氮进行加压，最大压力达7.1×10Pa。研发前期受试的贮箱包括MK1 原型机、SN1 原型机、SN2 贮箱、SN3 原型机、SN4 原型机等。MK1 原型机在压力达到3～5×10Pa 时发生损坏，贮箱圆顶被冲开。针对MK 原型机的问题，SpaceX 公司改进了贮箱制造方法，采用了连续不锈钢连接环（仅有1 个焊接点）、优化了圆顶结构，并对焊接进行了改进。然而，改进后的星舰SN1 原型机仍然在低温压力测试中失败。故障发生的位置是发动机部分和推力结构。为此，SpaceX 公司对后续贮箱的焊接和推力结构进行了改进。经过两次失败后，SpaceX 公司终于在2020 年3月8 日利用SN2 大直径贮箱首次通过低温压力测试。2020 年4 月3 日，SpaceX 公司利用星舰SN3 原型机进行低温压力时却再次遭遇了失败，故障原因可能是测试操作错误，由于使用液氮代替甲烷时，重量超出设计，而底部的液氧加压不足，压力不足以支撑上压力而导致了原型机坍塌。经历上述一连串的失败，星舰研发团队总结了经验教训，终于在2020 年4 月利用星舰SN4 原型机成功完成了低温压力测试，使该原型机成为星舰SN 系列首个通过低温压力测试的原型机。

在原型机通过环境压力测试和低温压力测试后，研发团队将对原型机进行射前演练。试验目的是对发射前的所有环节进行实测。按照发射流程，利用液氧/甲烷推进剂，演示燃料加注至发动机点火前的全流程。演练的次数为1～2 次。一旦通过射前演练阶段测试，就可以开始为原型机装配“猛禽”（Raptor）发动机，为下一步静点火试车做准备。

在“星舰”研制早期，SpaceX 公司对“星跳者”（Starhopper）验证机进行过两次系留试验，均获成功。其目的是验证“星跳者”验证机系统的稳定性和平衡性，发动机点火的安全性、确认火箭系统与地面设施的接口及确认发射前倒计时程序。在测试中，验证机发动机点火，时长持续3～5s。验证机达到1m 高度（系绳极限）。

后期，研发团队在历次飞行试验前都要对原型机进行多次静点火试车，目的是检验动力系统的协调性和匹配性。试验中，发动机点火时长几秒至几十秒不等，试车次数取决于试验结果。在原型机静点火试车过程中也曾发生多次意外情况。例如：2020 年5 月29 日，SpaceX 公司对装配了一台“猛禽”发动机的SN4 成功进行了静点火测试，约2min 后，SN4被一个大火球吞噬，随后引发了爆炸，爆炸前几秒原型机底部出现大范围燃料外泄。2020 年11 月12 日，SpaceX 公司对星舰SN8 原型机进行了3 次静点火试车，在第三次试验过程中，短暂地点燃了SN8 配备的3 台猛禽液氧/甲烷发动机，但测试结束后不久，可以明显看到一些材料从SN8 的底座上滴落下来。造成故障的原因是液氧贮箱压力上升，原型机失去了气动装置。

飞行试验

“星舰”飞船级的飞行鉴定试验分3 个阶段进行：第一阶段是低空飞行试验，飞行高度约150m。第二阶段是高空飞行试验，飞行高度约10km。第三阶段是轨道级试飞，飞行高度将达20km。2019 年7 月－2021 年7 月，SpaceX 公司对8 架“星舰”原型机进行了试飞，每架原型机都具有不同的配置。所有试飞都是在位于南得克萨斯博卡奇卡进行的。

SpaceX 公司先后对“星跳者”验证机、SN5 和SN6 原型机进行了150m 高度的试飞,目的是验证“星舰”的导航系统、全不锈钢箭体的结构强度、新型着陆支腿，以及其他一些基本功能。试验中，在大约60s 的时间内（全程燃烧），验证机上升到150m 的预定高度，横移一段距离，展开支腿，并平稳回落到约100m 外的着陆场，实现软着陆。

SpaceX 公司先后对SN8，SN9，SN10，SN11和SN15 原型机进行了10km 级的高空试飞。高空飞行试验旨在测试多个目标，包括3 台“猛禽”发动机的性能、飞行器整体空气动力学再入能力、着陆前飞行姿态控制调整、机身襟翼控制、推进剂供应贮箱转换等。在此过程中不断优化和改进设计，包括提高发动机的技术成熟度、提高不锈钢结构加工后的密封性等。SpaceX 公司利用配置3 台“猛禽”发动机的星舰SN 系列原型机进行测试，在飞行过程中，起飞约1min40s 时，关闭一台发动机，起飞后约3min，第二台发动机关机，最后一台发动机于起飞后4min 关机。在起飞后约5min，原型机调整至水平姿态，验证星舰从轨道返回时需要采用的水平滑行方式。当原型机接近地面时（着陆前10s，距离地面250～500m），自动调整前后襟翼，利用尾部的姿控推力器，同时重启2 台“猛禽”发动机，执行翻转机动，再次将原型机的姿态从水平状态调整至垂直状态。随后，一台发动机关机，只剩一台发动机工作。在起飞后约6min 时着陆。

2022 年下半年，SpaceX 公司将在得克萨斯州的星舰基地对“超重-星舰”原型机进行轨道飞行试验。发射之后大约170s，“超重”助推级将分离并返回着陆在墨西哥湾距离海岸大约20 英里的地方。而“星舰”飞船级将继续进行轨道飞行，最后将在地点为距夏威夷考艾岛西北海岸大约100km 以外的一片海域进行软着陆。

试验目的是尽可能地收集测试数据，以便更好地通过计算机模型进行复原及预测，此次测试的结果将用来设计改进以在内部模拟中建立更好的模型。首飞前的工作重点包括4 个方面：①“星舰”的热防护瓦；
②“超重”的发动机热防护；
③地面的燃料库；
④“星舰”的脐带臂。

受试原型机可能是“星舰S24+超重B7”组合，这两型原型机目前正在“星基地”（Starbase）进行地面试验。

SpaceX 公司参与“超重-星舰”的试验设施包括麦格雷戈研发试验设施以及位于博卡奇卡的“星基地”。其中前者负责主动推进部件的测试，后者负责原型机测试。

麦格雷戈研发试验设施

麦格雷戈火箭研发和测试设施位于一个前美国军用炸药工厂的场地上，过去15 年来一直在测试“猎鹰”系列火箭、“龙”（Dragon）飞船和“星舰”的部件，并支持每一个项目的开发。SpaceX 公司所有的火箭发动机都在此进行测试。该基地距离博卡奇卡的发射设施大约7h 车程。

麦格雷戈测试场共有16 个专门的测试台，每天18h、每周6 天持续工作。“超重-星舰”所采用的“猛禽”发动机在这里进行试验。火箭的主要部件在加利福尼亚州的霍桑火箭工厂制造和组装后，用于飞行的每一个主动推进部件几乎都要在麦格雷戈进行测试。以“猎鹰”火箭为例，其一子级所采用的灰背隼-1D（Merlin-1D）发动机要在麦格雷戈进行单独测试后才能运回霍桑，安装在助推器上，随后再将整个子级运回麦格雷戈，进行静点火试车。“猎鹰”火箭的二子级和灰背隼-1D 真空发动机，以及所有“龙”飞船和“超级天龙座”（SuperDraco）发动机也执行完全相同的过程。“星舰”所采用的“猛禽”发动机和冷气推力器也是如此。

博卡奇卡生产试验设施

博卡奇卡生产试验设施被SpaceX 公司命名为“星基地”，也被称为博卡奇卡发射场，目前负责“超重-星舰”的开发生产以及测试，未来还将承担发射“超重-星舰”的任务。

博卡奇卡生产试验设施位于南得克萨斯州靠近博卡奇卡村和布朗斯维尔（美国得克萨斯州最南部城市），坐标25°59′15″（N）,97°11′11″（W），是由SpaceX 公司建造的私人火箭生产设施、测试场和太空港，位于得克萨斯州布朗斯维尔以东约32km，在得克萨斯州的南帕德雷岛、伊莎贝尔港和布朗斯维尔附近，靠近博卡奇卡村。选择此处修建发射场主要是因为该地区具有东风飞越的飞行路径，并且位于尽可能往南的位置，以便利用地球的旋转速度。

SpaceX 公司在博卡奇卡的生产试验设施由生产区域和发射区域两部分组成。两个区域距离约2km，通过4 号公路连接。博卡奇卡发射区域总体可分为3个部分：亚轨道发射区、轨道发射区和直播区。其中，亚轨道发射区和直播区已投入使用，轨道发射区各设施大多处于在建状态。亚轨道发射区主要包括两个亚轨道发射台、燃料罐区、贮箱测试区和着陆场。除上述设施外，SpaceX 公司正在继续研究扩建博卡奇卡设施，包括在现有轨道发射台旁再建第二个轨道发射台，两个发射台都有各自的综合塔。

目前，博卡奇卡正在24h 不间断地建造“星舰”原型机部件，并且频繁地关闭博卡奇卡海滩和4 号高速公路，以便SpaceX 公司进行测试。

坚持“小步快走”的快速试错验证模式，加快研发速度

在“超重-星舰”项目中，其原型机的开发速度极快。SpaceX 公司从公布项目到首台验证机的建成,仅仅用了3 年，随后,又通过大量的验证机实测来实现技术和设计的不断迭代。SpaceX 公司认为，与其建造一个非常先进且昂贵的原型机，不如快速制造出廉价的验证机，通过多次测试逐步验证关键技术，实现快速迭代。SpaceX 公司依靠快速的“设计-建造-测试”周期，根据快速试错获得的经验为设计提供信息，并且利用“快速螺旋型开发”模式在研发过程中继承以往的设计成果。从目前进展看，这种“小步快走”的快速试错验证模式保证了项目整体的研发速度和成本控制。

重视试验的充分性，为设计改进提供支撑

在“超重-星箭”项目上，SpaceX 通过大量的地面试验结合飞行试验，考核验证相应设计的正确性，主要包括：在麦格雷戈进行发动机测试，在真实动力学环境下验证发动机；
在博卡奇卡发射场进行硬件闭环仿真测试，验证硬件-软件与全系统组件的集成；
在发射场进行射前的静点火测试，验证在真实动力环境下硬件-软件与全系统组件的集成；
极限条件下鉴定测试验证硬件性能。SpaceX 公司在每个设计/环境组合中进行鉴定测试：验证了304L 不锈钢材料的适用性和箭体厚度由4mm 降至3.6mm 的可行性；
分阶段开展了大量的飞行试验；
在2 年时间内利用10 架“星舰”原型机成功完成了150m 低空试飞和10km 高空试飞等。通过低空试飞，SpaceX 公司证明了大推力发动机偏置用于垂直起降的可行性。随后进行的高空试飞中出现的硬着陆等问题推动了星箭的数百项设计改进，最终证明了“猛禽”发动机的性能、飞行器整体空气动力学再入能力、着陆前飞行姿态控制调整能力，快速实现了关键技术和设计方案的不断迭代。

建设专用地面配套基础设施，提前布局，精准规划

在地面配套基础设施建设方面，SpaceX 公司选择了在南得克萨斯州的博卡奇卡建设专门用于“超重-星舰”的制造、装配、试验和发射的配套设施，未来还计划在该地区建造第二个轨道发射平台和推进剂制造设施。这样的选址主要考虑该地区具有东风飞越的飞行路径，地理位置偏南，以便利用地球的旋转速度。在此基础上，可以省去运载火箭在两地之间的运输，缩短了火箭从厂房到发射台以及回收操作的时间，提高了任务的整体效率，能够满足未来“超重-星舰”高密度发射和回收的需求。此外，针对重型火箭对地面设施提出的新需求，SpaceX 公司引入轨道级发射架、专用大型燃料库等专用设施，做到了科学编制，统筹发展。