SpaceX 公司星舰第二次飞行异常情况初步分析

苏浩涵，陈 亮，于新宇，贾育豪，曹 轩，刘立志，刘城斌

（北京星际荣耀科技有限责任公司，北京 100176）

0 引 言

北京时间2023 年11 月18 日21 时01 分，美国太空探索技术（SpaceX）公司在德克萨斯州博卡奇卡的自建发射场[1]，进行了星舰运载火箭的第二次轨道级飞行。火箭升空后，顺利通过了最大动压，成功完成一二级热分离，但是一级和二级在分离后经过短暂的飞行，相继发生爆炸，爆炸原因均为主动安控引发自毁，发射失败。

本文不再赘述星舰的基本情况和研制历程，只针对此次飞行任务，给出初步的飞行结果分析和异常现象分析。

1 飞行计划

1.1 起飞前准备

11月7日，SpaceX在完成了大部分准备工作后，等待来自美国联邦航空管理局（FAA）授予的第二次飞行许可。

11 月9 日，马斯克得到FAA 人员通知，审查内容已完成，星舰随即开始安装安全自毁装置。

11 月16 日，FAA 颁发许可，进行T-48h（起飞前48 小时，下文一致）射前检查，发现栅格舵伺服存在问题，拆下二级和热分离环，连夜更换了4 台栅格舵伺服中的3 个，并且将17 日的飞行计划推迟到18 日。

11 月18 日，下午3 点，T—6h 封路启动，人员撤离发射台；下午7 点，T—2h 放行投票通过（各子系统按照预定程序给出放行投票），最终加注决定下达，开始做液氧过冷。

T—1h37min，一级开始加注，同时加注甲烷与液氧；T—1h17min，二级开始加注甲烷；T—1h13min，二级开始加注液氧；T—19min40s，发动机预冷启动；T—59s，射前自检启动；T—40s，发射最终判定下达；T—10s，消防系统启动，猛禽进入点火程序；T—4s，水冷钢板喷水启动；T0s，火箭起飞。

1.2 飞行阶段

根据早先计划，火箭从墨西哥湾的博卡奇卡星舰基地起飞。牵制释放已被提前解锁，只要发动机推力超过自重，火箭就会起飞。

计划在起飞50 s 后，火箭通过最大动压。在起飞后2 分39 秒开始级间热分离。在分离前，超重助推器会关闭33 台发动机中的外圈20 台和中间圈10 台发动机，内圈3 台发动机也会节流至满推力的50%。

超重助推器分离后会进行返航点火和着陆点火两次启动，返航点火启动33 台发动机的中间13台，着陆点火只启动最内圈3 台发动机。

超重助推器最终在近海岸分离并在海面溅落，二级星舰将在夏威夷群岛海域进行再入大气层。二级星舰将海上溅落，不会执行着陆点火。

SpaceX公司认为这是一次轨道级飞行测试，二级星舰飞行期间将会达到入轨速度，并且在150km到250km高度长时间滑行。

1.3 飞行后处理

如果超重助推器没有在着陆时破坏，SpaceX将控制开启推进剂贮箱的排气阀，使海水灌入贮箱沉没[2]。

二级星舰在滑行段的飞行数据将通过全球各地的地面站接收，再入阶段的数据将尝试使用火箭上搭载的星链（StarLink）天线上传至星链卫星，再传回地面分析。

二级星舰溅落后，SpaceX 相关团队会根据全球定位系统（GPS）信号在附近海域寻找火箭搭载的数据记录仪（黑匣子），并通过潜水员打捞回收。

2 飞行结果

2.1 起飞阶段

猛禽发动机启动程序从T—10s 开始，33 台猛禽二代发动机交错启动，中间13 台在T—2s 完成了启动，T0s，间隔启动均布10 台，完成外圈20 台启动，这里中间13 台使用的点火系统来自箭上，周围20 台发动机点火系统与供气系统来自地面，同时错峰启动发动机可以有效改善点火瞬间振动环境对发动机启动成功率的影响，此次起飞，33台猛禽全部正常启动。

图1 发动机启动顺序

现场产生大量白色蒸汽，远景视角没有出现混凝土颗粒掉落，水冷系统工作正常，在水冷钢板的保护下，初步判断防火水泥没有出现大面积解体情况；在T+3s 火箭明显移动，视觉上，尾焰略微偏斜向发射塔，箭体水平方向远离发射台；T+10s，火箭尾部离开发射塔区域，此时火箭飞行速度已达到140 km/h，本次飞行相对于第一次飞行明显以更快的速度使箭体离开了发射台区域，并且水平移动较小。

图2 火箭倾斜（右图为第一次飞行）

发动机火焰清澈明亮，呈现甲烷富燃燃烧紫红色，尾焰对称，尾焰后方存在红棕色烟雾，出现不完全燃烧产生的颗粒物，掉落白色小颗粒物推测为凝霜，经过尾焰膨胀羽流区域发生升华反射火焰光芒，除此之外无明显助推器外附物脱落，助推器侧面气瓶整流罩完好，没有破碎迹象。本次飞行，一级助推器发动机伺服全部更换为电动伺服，取消了原先在助推器侧壁的液压动力装置[3]，因此不存在爆炸失效风险。

图3 紫红色透明尾焰

2.2 最大动压

飞行至52 s 时火箭达到最大动压（Max Q），平稳过渡，箭体没有明显变化，助推器33 台发动机全部工作正常，直到进入级间分离程序。最大动压时，火箭飞行高度为6 km，飞行速度为1005 km/h，液氧与甲烷消耗量几乎完全相同，甲烷消耗量略多，两者均消耗一级总量的30～40%。

2.3 级间分离

根据发动机信息表显示：2 分39 秒时，火箭按照计划执行一级大部分发动机关机，关机顺序与点火顺序完全相反，最外圈20 台先关对称角度的5 台，再对称关5 台，再全部关闭外圈发动机，中间圈10 台在2 分40 秒关机，最内圈发动机节流到50%推力，这样的设计可以在保证二级火箭尽快离开一级的前提下，保证一级推进剂始终沉底便于发动机二次启动，此时火箭飞行高度为67 km，飞行速度为5664 km/h。

图4 发动机关机顺序

液氧与甲烷消耗量几乎完全相同，但此时与最大动压时刻相反，液氧消耗量略高于甲烷，推测可能存在混合比动态调整，猛禽二代的全流量分级与双泵设计使其具备有较强的混合比调节能力与燃烧鲁棒性。分离时一级液氧和甲烷消耗均超过90%。

发动机信息表显示，关机完成后，一级助推器达到了速度峰值5663 km/h，随后一级助推器速度开始降低，初步分析可知加速度大于重力加速度，存在负过载。分析认为，热分离时，二级开机喷流对一级具有较强作用力，至少超过3 台50%节流的发动机推力。此时由于存在较大的加速度变化，推测一级助推器内部推进剂一定会出现漂浮晃动情况，可能会对箭体结构产生较大负荷，并一定程度上影响一级发动机二次启动。

实际发动机画面显示，直到2 分41 秒才出现明显的发动机变暗画面，并且伴随有发动机舱和热分离环处大量气体径向外溢。推测热分离环处存在二级真空发动机开机，大量燃气被防热罩引流向径向扩散，发动机舱在一级关机后，部分发动机在吹除时仍然会存在低温推进剂的气化膨胀，在太阳光照射下存在反光，同时遥测反馈的发动机数据与实际推力大幅度下降情况可能存在差异。此时飞行高度为分离点高度69 km，飞行速度为5636 km/h。

图5 热分离环亮度变化

2.4 一级掉头与二次开机

2 分49 秒，一级助推器角度位置相对二级有大幅度变化，认为分离完成，一级3 台发动机摇摆改变一级姿态，同时发动机信息表从49 秒到51 秒显示点燃了一级助推器中间10台中的9台发动机，右上角一台发动机点火失败，此后的17 s 内，所有发动机相继关机；

图6 发动机故障顺序

3 分18 秒，一级发动机舱发生爆炸，并伴随持续的气/液态物质飞出；3 分20 秒～3 分21 秒，发动机舱再次爆炸，并紧随着助推器剧烈爆炸，此时一级所在高度达到了90 km，速度为3818 km/h。

图7 发动机舱爆炸

根据FAA信息，确认飞行中止系统（FTS）启动。分析认为，发动机二次启动存在较大问题，一种可能的故障原因为，一级助推器在结束级间分离后，迅速开始掉头，一级二次点火，进入返回流程，而在计划中，二次点火在级间分离开始后12 s 进行，实际过程只有不到8 s，缩短了1/3 的发动机准备时间，因此，33 台发动机内部的管路存在3 种过载叠加情况：

1）加速度方向剧烈变化，管路内部液体运动导致阀门管路遭遇水锤冲击；

2）火箭使用3 台发动机摇摆来翻转掉头，管路在翻转时存在横向过载；

3）发动机二次启动，大量阀门同时开启，存在水锤冲击；

这些叠加的载荷造成了部分发动机启动失败，管路破损，推进剂泄露，同时引发连锁反应，造成了更多的发动机的关机，姿态大幅度变化，在3 分21 秒，全部发动机关机。在计划中持续工作的3台和二次启动的10 台发动机要工作到3 分47 秒，这表明全部发动机均为故障关机。火箭在发动机舱剧烈爆炸后，触发了自毁门限，执行自毁。

2.5 二级飞行情况

二级在一级飞行过程中，不断有大量隔热瓦掉落，集中在贮箱共底以及焊缝区域，表明在飞行期间，焊缝发生了一定的结构变形，隔热瓦无法适应该处变形，破坏掉落；

2 分41 秒，执行级间分离，计划中二级同步开机点火，优先启动3 台外圈真空版二代猛禽，由于中间3 台海平面版猛禽距离热分离环的隔热罩只有几厘米，因此开机时序稍晚，并且开机时需要摆开，让出隔热罩的顶端，分离后再摆回；

2 分44 秒，发动机信息表显示，外圈3 台开机，比计划中要晚3 s；2 分45 秒，内圈3 台开机，此时二级飞行高度为71 km，速度为5671 km/h；

图8 发动机启动顺序

2 分49 秒，一级姿态调整后画面上可确认6台发动机全部启动成功。3 分29 秒，一级爆炸，官方画面重新回到二级，此时二级穿越100km 卡门线，飞行速度为6540km/h，液氧与甲烷均消耗总量的15～20%，甲烷消耗量略高于液氧；

7 分06 秒，出现羽流扩散，7 分50 秒羽流消失，全程发动机信息表显示全部发动机工作中，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，发动机信息表显示全部发动机突然关机，速度还在进一步上升。

8 分08 秒，出现明显大量气体逸散，分析认为此时执行了自毁，飞行高度为148 km，速度为24124 km/h，数据全部停止变化，遥测失联。此时液氧与甲烷剩余量均不足5%，液氧消耗量要高于甲烷。计划中的二级关机时间为8 分33 秒；

图9 气体逸散

分析认为，在第一次出现羽流扩散时，存在液氧输送管路的泄露，推进剂泄露影响了发动机的工作状态，并且由于二级使用了液压伺服，3 台摇摆发动机共用一套液压油输送系统，单台故障可能会引起3 台的控制能力同时失效，火箭可能会因此姿态失控，引发自毁。

天体物理学家麦道威（Jonathan McDowell）根据直播时的数据推算，解体时二级火箭最终进入了-1740 km×150 km 的椭圆轨道。如果没有启动安全自毁装置，火箭将撞击特克斯和凯科斯群岛的东北部，可以据此判断是由于姿态严重失稳，飞行轨迹超出自毁门限引发了主动安控。

3 异常情况

3.1 起飞时的倾斜

在起飞时明显看到火箭的偏移和倾斜，在第一次飞行时同样发生，但是，马斯克在第一次飞行后的采访中表示，姿态倾斜是由于发动机故障导致的意外情况，在计划中没有让火箭倾斜离开发射台。

第二次飞行中，全部发动机工作正常，没有额外影响的前提下，火箭依然发生了倾斜，原因还有待观察。

3.2 隔热瓦脱落

二级在一级飞行过程中，不断有大量隔热瓦掉落，集中在贮箱共底与焊缝区域，表明在飞行期间，焊缝处发生了一定的结构变形，隔热瓦无法适应该处变形，破坏掉落。除此之外，全箭不存在明显的结构变形，在通过最大动压阶段火箭飞行平稳，顺利通过。

图10 隔热瓦脱落

3.3 发动机工作情况

火箭起飞时，尾焰后方存在红棕色烟雾，认为在起飞时，火箭主动调整了混合比，增加甲烷的消耗进行不充分燃烧，火焰焰色反应为紫红色也证明了这一点。

一级二次启动时间与箭体翻转时间过于接近，且箭体翻转速度过快，对管路产生了恶劣影响，二次启动难度提高，存在部分发动机启动失败，和管路泄露，在密集的发动机布局情况下，极易引发连锁反应，此后剩余12 台发动机陆续故障关闭。一级单一发动机问题引发了其他发动机问题，可能是发动机共用供气系统出现异常，或是泄露推进剂在舱内燃烧造成的影响。

图11 红棕色烟雾

3.4 二级液氧的快速消耗

二级飞行段存在液氧泄露，飞行直播数据显示，液氧发生了快速消耗，在自毁前液氧所剩无几，在二级通过卡门线时，剩余推进剂还是液氧较多一些，在自毁启动时，剩余甲烷更多些，这个差异主要是在7 分50 秒前后10 秒内发生的突变。

图12 推进剂消耗对比

3.5 地面设备

发射后地面照片显示，发射台单侧烧蚀痕迹教明显，发射台水冷钢板表面正常，马斯克认为无需做任何处理。

图13 发射台烧蚀情况对比

二级加注连接器本应起飞前快速分离并后撤，但是发射后画面显示，可能存在动作滞后现象，加注连接器固定支架被拽歪。

图14 二级加注连接器

3.6 飞行终止系统

根据FAA 报道，两次爆炸均来自安控装置激活，两次都瞬间引爆了贮箱，但是有地面观测者拍到二级在自毁后，顶部载荷舱结构完整，并没有被破坏。

4 经验与启示

星舰基于第一次轨道级飞行中得到的经验教训均得到了有效落实。综合来看，改进措施大部分发挥了作用，阻止了“快速非计划解体”（RUD）的提前到来。其中，最值得关注的是发射台系统的升级改造和热分离系统的验证，这两点的成功证明了后续的试飞的可行性，有利于后续高效率飞行试验的进行。考虑到星舰基地的快速生产能力，可以推测后续星舰的发射速度会大幅度提高。

从星舰的第二次试飞中可以看到其系统化的设计思想更趋向于逻辑闭环。比如，如果没有推进剂贮箱内的二次启动小贮箱[4]，在一级助推器热分离时产生的过载下，箱内推进剂将无法及时沉底以完成发动机的二次启动。反过来说，也正是因为小贮箱的存在使得热分离成为一种可能的选择。此外，一级外圈20台发动机使用了地面供气和点火系统，因此全程只具备一次启动能力，但是却大幅度提高了启动成功率。支撑台后倒、地面供气系统连接器以及本次没有使用的牵制释放装置三者共享一套作动系统，降低了系统的复杂程度。

但是，星舰第二次飞行的取得的成果，并不真正意味着为前苏联N1 火箭[5]这类超多发动机并联的设计给出了完美解决方案。此次飞行中，一级发动机二次启动时管路遭受的大负载恶劣力学环境，也可能是多发动机同时启动产生的振动耦合造成的。这也是所有从业者需要格外注意的关键点，一旦火箭在姿态和加速度大幅度变化时，同时存在发动机启动、关闭或阀门开启的动作，可能会造成叠加的恶劣力学环境超出设计余量，造成相关系统破坏。

5 结论

星舰在第二次飞行中完成了一级33 台发动机正常启动、级间热分离、二级发动机正常启动、一子级调头等关键动作，但一二级均出现故障，最终受控自毁，并未取得成功。基于各方面的数据进行初步分析，推测一级故障原因来自于发动机二次启动时的恶劣载荷环境造成的管路阀门出现泄露问题。二级故障原因可能与液氧管路的泄露有关，诱发原因不明。

人类征服太空的征途从来不是坦途，但是每一次挫折后，研发团队总结经验教训，不断迭代进化，再次向着目标冲锋正是人类最伟大的英雄主义精神！我们期待着星舰的下一次飞行！