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【高见】星舰十飞,未竟之路

星舰十飞成功,但从星舰项目规划角度看,第二代版本大更总体上没能实现实用化目标。2025年星舰连续事故,并不是“马斯克变量”导致的,而是版本大更必然伴随的阶段性问题。

北京时间8月27日上午,星舰完成了第14次试飞任务。这次试飞,星舰测试的星链V3模拟器在轨分发,两级火箭均精准降落,任务总体成功。

进入2025年,星舰连续三次试飞失败,之后地面测试还出现了严重事故,炸毁了梅西试验场。这次星舰十飞,终结了2025年一路的磕磕绊绊,成功验证了星舰上面级的卫星分发器设计,验证了隔热瓦改进方案的可靠性。从单次试飞任务角度看,基本是成功的。

但从整个星舰项目计划表角度看,星舰二代版本大更总体上没能实现既定目标。去年我评论星舰五飞时,将星舰开发计划总结为三部曲,说星舰五飞是第一部的压轴戏,承前启后。按照当时的项目计划,第一代星舰是要验证项目的可行性,打通技术链条;第二代星舰是要完成实用化,启动星链V3星座部署,同时验证在轨燃料加注,为后续升空任务做准备,而且还要验证两级火箭的全复用。第三代星舰是要实现商业化,一方面优化增强星舰功能,另一方面不断加快生产节拍,实现星舰批量生产、批量发射。

从结果上看,第二代星舰没能完成实用化,甚至版本更新也只完成了一半,只更新了星舰上面级。今年第一季度,星舰连续两次试飞撒烟花之后,3月16日,网友发现39号飞船的鼻锥液氧罐被标注的V3。这意味着第二代星舰项目在当时就被紧急叫停了,只生产到38号飞船。星舰十飞后,马斯克在X上发帖,正式宣布将星舰开发指标整体向后递延一代。这就好比制片商原本要拍摄系列电影的第二部,结果剧本崩了,把电影拍成了番外预告片,从三部曲改成了四部曲。

今年星舰项目出问题时,马斯克正在白宫参政议政。特朗普将马斯克踢出局之后,星舰十飞就成功了。由于时间上过于巧合,很多网友将星舰项目的成败归因于马斯克变量。但这种说法,在系统工程组织与企业生产管理方面都站不住脚,只能算是个网络段子。今年出问题的星舰飞船,生产时间是在去年。当时马斯克还没有高强度参政议政。之后几次星舰事故充分暴露了技术问题,工程师在系统性复盘后做了针对性改性,这才有了星舰十飞的成功。马斯克只是刚好在这时候又回到了SpaceX。

马斯克也是人,时间精力有限。像星舰这么复杂的项目,马斯克能够对关键节点的技术情况做到跟进,这就已经很不错了。绝大多数技术文件他都没有时间看。网友觉得马斯克是关键变量,是因为他是SpaceX对外宣传窗口,在传播上容易让人下意识觉得SpaceX所有工作都是他做的,在无形中把他神化了。现实中的马斯克有明显的性格缺陷,喜欢包装自己,也容易一时冲动拍脑袋。只不过在马斯克拍脑袋时,有高管能及时叫停,不至于让他的个人缺陷放大成企业的灾难。

比如,马斯克曾一度对星舰项目进度非常乐观,在高管会议上突然说他要下架猎鹰重型火箭,直接用星舰接替大载荷任务。当时,SpaceX总裁兼首席运营官肖特韦尔听到消息后大惊失色,立刻冲进会议室进行劝阻。这才避免了SpaceX丢掉几次重要的军事任务订单。

SpaceX到目前为止的所有成就,都依赖于同一个基础,那就是率先将规模化工业的生产组织方式,引入到半手工的航天制造。这说起来容易,真正落实下去,意味着企业要靠自身将整个链条全部摸索一遍,需要大量试错,要靠扁平化管理来维持敏捷开发。

今年S33到S36发生四连炸,星舰干脆跳过了V2版本。看上去似乎是SpaceX这套模式遇到了问题,但仔细回顾事故细节就会得出完全相反的结论。微观层面上,上面级四连炸是因为V2版星舰飞船进行了突击式设计改动,技术迭代不连续,所以不能及时排查隐患问题,并不是敏捷开发本身有问题。任何一家企业开发全方位升级的新产品,都几乎不可能一次性跑通。

从整个项目架构上看,星舰直接跳过V2版,是因为从生产线到目标载荷,形成了全链条强耦合,导致项目开发节拍失控,并不是V2代星舰在技术上不可行。如果航天发射是有充分购买力的商业市场,那现在的V2代星舰已经可以准备批量接单了。但星舰可预期的发射任务,主要还是SpaceX自己的星链。而且眼下已经具备了新一轮全面升级的技术积累,所以星舰不着急定型投产,有足够的时间将火箭优化到下一代。

先看突击式改动。星舰V1阶段,会在每次发射后吸取经验,进行上千处设计优化,总体上是线性迭代。而从S33开始,星舰飞船V2版几乎是从头做了一遍设计,技术变动规模,相当于V1阶段的总量。V2版星舰在风险最大的飞船下端,给每个真空猛禽发动机都配备了独立降液管,底部气罐与支座也重新排布。这看上去是让发动机之间解耦,提高了系统可靠性,但正是因为这个改动,导致了系统高阶风险。

多个降液管增加了尾端管线接口数量,同时也改变了管线与发动机的阻尼特徵,改变了振动工况。星舰七飞事故就是因为燃料在管线中出现了二阶谐振,振动强度比地面测试高出了几倍,结果管线高压过载,出现泄漏燃烧。星舰八飞时,虽然针对七飞问题做了补救,加强了排气与氮气吹扫能力,但实际试飞时,出现了更严重的管线接头破裂,直接导致了燃料混合的高能事件。七飞与八飞,虽然是不同的事故机制,但属于相同的故障链条。

在星舰飞船上端,为了实现在轨分发卫星,载荷舱段要在开舱门之前抽空、惰化,同时还要提高卫星分发器的效率。鼻锥空间整体上做了重新设计,也相应影响了星舰飞船的飞行剖面与姿态控制。九飞时,由于给甲烷贮箱加压的自增压系统发生了破裂,导致甲烷液滴泄漏到了鼻锥内部,同时甲烷贮箱压力下降,触发了系统自主钝化,飞船再入烧毁。作为应对,SpaceX直接将相应部件的耐久度提高了十倍。

S36在地面静点测试时,鼻锥处负责氮气吹扫惰化的复合材料压力容器发生破裂。高压罐体破裂带来的瞬间冲击,直接破坏了燃料管线,导致燃料混合爆炸。事后SpaceX一方面加强了相应部件的采购质控,另一方面还为COPV加装了防护盖板,避免再次出现连锁事故。九飞与S36的事故机制也不同,但也属于同一个因果链条,都是因为鼻锥内部大幅设计变动,导致的生产质控风险。

按照传统制造业产品开发周期,星舰飞船设计大改之后,要像V1版一样花费差不多两年的时间来迭代跑通。结果V2代飞船只用了半年多就跑通了。因此V2版星舰四连炸,非但不能说明星舰存在技术管理问题,反而证明SpaceX效率高的可怕。现在星舰直接跳过V2版,乍一看似乎是V2版不可靠,但这又是因为更宏观的研发生产节拍问题。在V2版飞船成型的同时,下一代的发动机、火箭工厂与发射场也成型了。

星舰项目的远期目标,是要将人类轨道投送能力从千吨级提升到百万吨级,将单公斤载荷成本从近万美元降低到十美元。要在规模与成本方面,对航天产业形成累积六个数量级的变格,历史意义相当于福特流水线。百万吨级投送能力,对应每年生产上千枚星舰,而且平均复用次数要达到十次以上。为了实现流水线生产,星舰要尽可能简化一切不必要的冗余,简化生产工艺。为了实现高强度发射,星舰与发射基地都要高耐受、高可靠。这两方面影响了星舰材料选择,影响了星舰结构死重。而为了保持运载效率,就需要不断强化发动机性能,不断优化载荷舱与卫星的设计。

过去的航天产业以半手工制造为主,从来都没有过全厂流水线项目经验。SpaceX要独立完成整个体系的开发建设。这就使得星舰不是一个孤立的火箭开发项目。星舰工厂的流水线工艺,星舰发射基地的设计建设,星舰发动机的迭代更新,星舰箭体的改进,甚至是星链V3卫星的设计以及后续手机直连星座的开发,全都互相影响。当不同环节的研发进度参差不齐,进度落后的部分就需要继续迭代大改,从而对齐节拍。星舰箭体设计就是进度相对落后的一环。

现在,猛禽三发动机已经进入量产前准备阶段。接下来星舰还要继续围绕猛禽三做版本大更。而V2版星舰已经证明,版本大更没法无缝衔接。因此,对于SpaceX来说,最优策略就是直接开战以猛禽三为基础的新一代星舰项目。

通过星舰工厂照片可以看到,猛禽三发动机生产编号已经排到了三十多。真空猛禽三也已经完成了点火测试。V3版星舰助推器与飞船上面级都已经进入了试产阶段。超重助推器的尺寸比超五还要大一圈,新一代超重助推器光是降液管就堪比猎鹰九。而且SpaceX正在同时生产十多枚新一代飞船上面级,生产编号已经排到了S49。与其说现在是跳过了V2版星舰,不如说是SpaceX把过程版重新命名成了V2版。

在更早的时候,SpaceX就在星链化代上玩过这么一次。原本V2版星链说的是用星舰发射的大型刀片卫星,还有一种是用猎鹰九发射的V2 Mini。由于星舰迟迟没能完成实用化,星链卫星只能在V2 Mini基础上不断优化。后来还推出了测试手机直连的V2 D2C。再往后V2 Mini被重新划代为V2版。星舰发射的V2被递延成了V3版。

现在V3版星链卫星也做了升级,展开后的尺寸会接近波音737。去年SpaceX提交了德州星舰基地每年发射25次的计划。此外,SpaceX还计划在卡纳维拉尔角实现每年120次星舰发射。肖特韦尔也在第31届巴伦投资大会上给出了激进的时间表。

星舰六飞后,很多网友根据这个乐观预期,认为2025年应该能实现十几次发射。我当时评论星舰六飞给出的预期比较保守,认为能做到八次发射就很不错了。理由之一就是猛禽三还没有量产,而猛禽二的库存又不够用。SpaceX想要在2025年实现十几次发射,要么继续生产一批猛禽二,要么提高猛禽二的复用可靠性。这都不算是什么好选择。

今年星舰七飞与九飞,都使用了B14助推器,完成了首次星舰助推器复用。但这只能算补全了第一代星舰的技术可行性验证。而且B14还换装了四台新猛禽二,复用效率还不够高。猛禽三量产后,会带来力学设计、振动工况、飞行剖面的整体变化。星舰两级都要再来一轮版本大更。这意味着明年V3版星舰还会遇到更多的技术问题,甚至连超重助推器都有事故风险,研发任务很重。在这个情况下,继续在猛禽二复用上耗费精力,意义非常有限。

因此,从目前情况看,今年星舰大概率只会由五次发射,打光第二代星舰飞船之后,发射活动就会暂停一段时间。V3版星舰想要在年底前完成首飞,难度非常大,地面测试大概率来不及完成。明年SpaceX能把V3版星舰跑通,就已经是非常不错的成绩了。星舰想要全面进入实用化阶段,大概要等到2027年。再之后,星舰想要提高发射密度,要以周为单位将全链条节拍同步,复杂程度堪比晶圆厂提升良率。

这也意味着,美国以星舰为核心的登月计划,时间表仍然高度不确定。阿尔忒弥斯三号任务应该还会有几次延期。对马斯克来说,登月项目可以等,但下一代星链星座必须尽快启动。目前星链卫星已经发射了9324颗,其中手机直连卫星661颗,全球用户已经超过700万,业务量持续高增长。而与此同时,星链星座已经逐步进入动态更新阶段。最早几批次的卫星已经到了使用寿命,要不断钝化老旧卫星,补发新卫星来填补轨道面空位。实际在轨工作卫星大约8100颗。

同时,SpaceX还要追加更多的卫星来给星座扩容。光靠猎鹰九火箭,效率上已经没法支撑市场了。解决办法之一就是发射功能数量级增强的新卫星。星链V3卫星尺寸太大,必须要用星舰来发射。现在星舰全流程节拍还没法同步。光靠德州基地肯定来不及。对于马斯克来说,最简单的办法就是用星舰基地来扩大产能。

目前,德州星舰基地第二套塔架已经进入工程收尾阶段,预计明年能投入使用。德州星舰工厂也在扩建。进度快的话,有可能在明年星舰第13到第15次试飞,看到德州星舰基地用B塔回收星舰上面级。此外,SpaceX正在佛罗里达州卡纳维拉尔角建设新星舰基地。新建的佛州星舰工厂面积比德州工厂大了50%。39A发射台正在按照德州基地B塔标准进行建设,预计明年能投入使用。与此同时,SpaceX还计划将卡角39号发射台也改造成星舰发射塔。目前正在做审批流程。

回到这次星舰十飞任务。相比较于此前星舰的表现,这次试飞从完成度上看,只能算中规中矩,项目节点推进有限,相当于是完善了第一代星舰的开发测试收尾工作。这次试飞测试了模拟载荷的在轨部署,测试了飞船在轨二次点火,提升了热防护性能。

除此之外,星舰还有不少零零碎碎尚未解决的问题。比如超重助推器上升阶段,中圈发动机出现一台失效,之后再也没点着。飞船上面级再入阶段,尾裙背风面发生爆炸,目前还不清楚爆炸原因。如果是整个尾裙都有隐患点,那这次再入成功就是运气了。假如爆炸点出现在迎风面,飞船再入大概率会失败。而且飞船再入阶段,后襟翼尾部还是出现了较为严重的烧蚀破损。

当然,与第一代星舰相比,现在的这套防护系统性能上已经有了根本性的提升,设计迭代已经到了收尾阶段。星舰从36号飞船开始,就全面更新了热防护材料,但还没来得及再入验证,36号船就在地面上炸了。飞船热防护的改进措施,包括采用了多种新型金属隔热瓦,还包括主动冷却方案。这次37号飞船降落前,热防护层基本完好,而且还变成了橙红色,这就是新型隔热瓦的烧蚀效果。此外,与前几次试飞一样,SpaceX这次也拿掉了部分隔热瓦,做可靠性验证。事实证明,目前星舰上面级的热防护趁底层,也有充分的耐烧蚀能力。

最近几年,国内不少网民一直围绕星舰项目争论输赢。个别官媒为了蹭流量,也下场参与炒作。由于今年星舰飞船四连炸,星舰十飞又因为地面系统与天气原因,连续鸽了两次。有媒体半场开香槟,结果隔天就遭遇反转。

接下来两年,星舰项目还有不少坎。V3版可能还会有更多事故。输赢的争论还会继续。我做这期节目,只是想说明,星舰今年遭遇的阶段性波折,是项目开发管理的正常情况。而且距离实用化、商业化,还有不少问题要解决。星舰项目能走到现在,政策环境、融资条件、供应链繁荣、企业组织架构、优秀的管理团队以及人才技术积累,这些条件缺一不可。希望本期节目,能在输赢争论之外,为观众提供一些了解星舰项目的新视角。

好,本期节目到此结束,感谢各位收看,我们下期再见。

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