【高见】星舰十二飞：重器初成

北京时间2024年5月23日星期四，欢迎收看第127期高见。

星舰进行了第12次试飞。12飞原定于昨天早晨发射，按照发射流程，在倒计时40秒时，飞船上面级的快速断接臂要与火箭脱离并收回，结果尝试了5次重启倒计时，都无法让快速断接臂响应。后续马斯克发推文说，故障原因是用来固定快速断接臂的不锈钢液压销卡住了。2号发射塔已经高度电气化，这个固定快速断接臂的不锈钢销是为数不多的液压件，结果刚好在V3版首飞时成了最显眼的故障点。SpaceX团队通过连夜抢修，完成了紧急排故，确保了火箭在今天能够顺利发射。

火箭起飞后，助推器外圈发动机出现一台异常关机。热分离后，一级引擎出现整体异常，舰体姿态失控，以超音速砸到了海面上，溅落失败。二级出现一处真空引擎异常，通过增加剩余5台引擎点火时长，成功进入目标亚轨道，并顺利进行了卫星在轨分发测试。携带摄像机的卫星对上面级进行了灯光照明，从而检查飞船的热防护层。二级再入全程无异常，隔热瓦烧蚀情况有显著改善，成功实现了海上溅落，但溅落速度偏高。

这次试飞出现较大问题并不意外。去年我在评价星舰十飞时就说过，版本大更很可能会出现新的事故。之后B18在测试台爆炸，今天B19热分离点火异常，这都是开发迭代的正常情况。星舰这么复杂的系统工程，光靠人脑视线分析与地面测试是没法完全排查出高阶耦合问题的，只能靠实测来验证。

总体上，这次试飞成功了一半。这个成绩相比于V2阶段已经是相当不错了。这次试飞是“满血版”星舰的首飞，是整个星舰项目从开发探索阶段转向运营优化阶段的里程碑。V3版星舰在性能上首次实现了百吨级运力指标，成为继土星五号、能源号与SLS之后，人类第四款百吨级运载火箭，兑现了星舰项目早期规划的第一阶段运载能力。而且相比于老航天的“百吨王”，V3版星舰具备快周转、廉价高频发射的商业潜力。大航天时代的大门已经被星舰项目推开一半了。

从2019年星虫跳跃开始，前前后后1万多名SpaceX员工顶着开辟新世界的压力，面对老航天的冷嘲热讽，耗时7年，耗资超过150亿美元，将星舰项目一路迭代推进到了V3版，领先全球同行整整一代人。这就是现实版的航天种田爽文。

早在去年上半年星舰九飞之前，V3版星舰的相关部件就已经开始陆续交付了。在火箭项目开发时间表中，发动机研发要前置。猛禽3发动机早在2023年就进入了测试迭代阶段。也就是说，在2024年V1版星舰迭代测试的同时，V3版星舰的设计研发工作就全面铺开了。这意味着两者之间不是简单的延续关系，而是平行推进的。

在2023年V1版星舰试飞之前，SpaceX团队很清楚，V1版星舰在运力指标上还不如猎鹰九号。在这种情况下，项目团队坚持开展多轮V1版试飞，是因为新材料、新工艺与新设计在火箭架构与技术细节上带来了太多的变量，所以必须放弃运力性能，将V1版任务目标收敛到实测验证，不能再对设计进行大幅改动，否则整个星舰项目将陷入管理灾难。在V1进行几次试飞初步验证了可行性之后，项目团队才启动了百吨级运力版本的更新任务。所以当时规划表将V2标注成了百吨级运力。但此时猛禽3还没有完成充分验证，产能也还没有爬起来。与此同时，百吨级星舰的设计变动太多，任务跨度过大，所以SpaceX进一步拆解任务，将V2版作为过渡版，一方面验证百吨级星舰的子系统，另一方面实测两级复用技术。通过过渡版星舰的多次炸机实测，SpaceX排查出诸多技术隐患，确保了项目向百吨级架构的平滑过渡。

V3版星舰接下来要进入实用化，设计变动总体上可以分为两类：一类是任务能力提升，包括运力提升与飞船上面级的能力扩展；另一类是向运营级架构对齐，包括提升子系统部件的可靠性、耐用性，提升维护周转效率。

先看任务能力提升。不同火箭发射任务在速度增量方面有大致固定的指标曲线。星舰发射星链卫星进入的是200多公里高度的低轨。火箭速度增量在第一宇宙速度基础上叠加重力损失与弹道损失，至少需要9400米每秒。在速度增量固定的情况下，想要提升火箭运力，就要在发动机比冲、火箭推重比、干质比以及上面级Delta V余量方面做文章。

猛禽3发动机燃烧室压力从猛禽2的300Bar提升到了330Bar，测试阶段曾达到350Bar，推进剂流量显著提升。按理说可以通过优化喷管扩张比来提高比冲，但由于星舰底部空间紧张，发动机还要做矢量摆动，所以喷管没法大规模改动。猛禽3海平面版发动机比冲只比猛禽2提升了大越3秒左右，基本可以忽略。因此猛禽3的性能提升主要体现在推力增加上。海平面版最大推力280吨，考虑到耐用性与可靠性，现阶段额定推力限制在250吨左右，比猛禽2提升了20吨。火箭一子级33台发动机，累计将起飞推力提升了660吨，相当于增加了一枚中大型火箭的起飞推力。猛禽3后续型号计划将推力进一步提升到300吨以上，让星舰起飞推力达到万吨级。

猛禽3光靠推力提升就显著抬高了火箭推重比。与此同时，猛禽3的颠覆式设计也为超重助推器进一步优化提供了充足的空间。猛禽3将大量外置管线内部化，通过再生冷却通道壁实现全发动机自主冷却，将大量螺栓接口改为焊接，用3D打印的集成件来减少零部件数量，扩大SX300与SX500超合金的使用范围。这一系列升级不仅减轻了发动机重量，减少了潜在泄漏点，也让一子级可以删掉热盾，删掉底部的二氧化碳灭火系统。

发动机点火之前涡轮泵要起旋。之前猛禽2用的是氦气起旋，猛禽3改成了直接利用自身增压回路中的燃料气体起旋。这使得助推器底部也可以删掉氦气储罐与管线。之前猛禽2发动机用液压系统进行矢量控制，V3版星舰改成了电动矢量控制。这又进一步删掉了一整套液压系统。这一系列优化使超重助推器底部减轻了超过30吨的重量。此外，在猛禽2阶段，每个预燃室要配备两个电点火器，一用一备，一台发动机需要4个点火器。33台发动机一共需要132个，这增加了太多的失效点。猛禽3连点火器都删掉了，直接利用赫特曼-斯普隆格共振管原理，靠超音速喷流在管腔内反射形成的驻波对燃料气体进行绝热压缩，从而实现升温点火。猛禽3推动的迭代升级充分展现了马斯克常说的一句话：“最好的零件就是没有零件”。这也是SpaceX团队多年来一直践行的工程哲学。

早在第二枚猎鹰九号上，项目团队就做过类似的操作。当时猎鹰九号上面级的真空版梅林发动机，喷管底部曾出现3英寸长的裂纹。工程师排查后发现，故障原因来自一根氮气管道。这根管道的设计目的是为了避免一级贮箱顶部出现积冰，所以用氮气进行吹扫。结果管道意外把氮气吹到了二级发动机喷管上，长期作用下导致喷管变形开裂。当时这枚猎鹰九号正准备在两天后进行龙飞船的首飞任务，时间上来不及大规模翻新，于是SpaceX直接把梅林发动机的喷管切短了14英寸。解决不了故障，那就解决出故障的零部件。之后龙飞船首飞测试圆满成功。

除了猛禽3直接带来的变动，超重助推器与飞船上面级也针对猛禽3的特性做了一系列优化，从而加强运载能力。首先是贮箱扩容。更大的起飞推力让火箭两级都能装载更多的推进剂，从而增强运力。在V1、V2阶段，中圈与内圈发动机通过推力架连接到液氧贮箱的底部，外圈发动机通过另一个环形支架衔接贮箱。裙段圆柱形空间与椭球型贮箱之间的空隙用来集中布置各类管线。猛禽3颠覆性升级后，裙段管线大幅简化，封闭的补形空间不再有必要。所以V3版星舰直接删掉了发动机舱，将传递结构整合为一个向下凸起的推力钢板，与液氧贮箱底部融合在一起，之后再外套一层保护层。这使得液氧贮箱能够向下扩容。与此同时，助推器还加高了一点3米，进一步增加贮箱尺寸。这一上一下的扩容就让超重助推器增加了400吨推进剂。

助推器推力增加、推进剂增加，让飞船可以进一步增重。由于上面级也换装了猛禽3，所以可以在发动机裙段采用与助推器相同的逻辑进行优化，让贮箱向下扩容。这使得上面级也增加了100吨推进剂，增加了入轨载荷能力。入轨能力增加的同时，上面级还进一步实现了功能扩展。最显著的变化是增加了四个锥形对接套筒。这是为了后续在轨燃料转移准备的，是为常规上面级与油库上面级对接固定而预留的对接口。目前S39上装配的只是被动对接口，在后续的13、14飞任务中可能会换装主动对接口，为在轨加注测试做准备。此外，上面级燃料加注面板也出现了变化，从此前加注口高度集中变成了左右分离。这也是为了给在轨加注操作提供冗余空间。

更复杂的在轨任务需要更强的在轨机动能力。V3版星舰上面级的后襟翼处也出现了显著变化，能看到几根胖管。这些管线并不是新增的，在V2版星舰飞船上就有，是给飞船底部RCS供气的。从生产车间画面可以看到，V3版上面级的两处胖管是同一套供气系统的四根管线。之所以要让管线多绕几圈，是为了让液氧充分气化，一方面增强RCS能力，另一方面也是稳定供气压力。进一步看，供气管线末端做了不同方向的偏转，这是为了让飞船底部RCS能够获得多个矢量角度。RCS喷口也优化了扩张比，从而提升比冲。

说完任务能力提升，接下来看运营级架构。V3版星舰目的是将星舰项目推进到航班化阶段。为此，从地面系统到火箭都加强了冗余能力与周转效率。星舰地面系统是所有星舰共用的第0级。在整个项目中的重要性甚至还要高于一级火箭。SpaceX在吸取了1号发射塔经验后，彻底放弃了周转效率太低的水冷钢板，老老实实回归到了导流槽方案。为了增加导流槽的耐用性，满足后续高频发射的需求，星舰底部33台发动机也调整了位置，避免发动机喷流直接吹到导流槽凸起的背脊上。这些调整都有效加快了发射工位的状态恢复。

在V2版星舰回收超重助推器时，塔臂的晃动问题比较明显。SpaceX大幅缩短了塔臂尺寸，而且从液压改成了电动。在减轻晃动的同时提升控制精度。同时，助推器栅格舵也与回收支腿整合到了一起。栅格舵从四个简化成了三个，每个栅格舵面积扩大50%，而且重量基本不变。

为了进一步加快发射节拍，增加发射前准备工序的容错能力，2号发射塔将原本集成的燃料加注面板拆分成了两个，液氧与甲烷各一个。超重助推器的燃料接口也做了相应调整。液氧与甲烷虽然温度接近，但毕竟还相差了20多度，而且两种推进剂密度差了2.7倍，质量流量差距更大。拆开之后可以隔离加注工况，避免互相干扰。同时，星舰进入高频发射阶段后，燃料加注过程也可能会出现残留物混合爆炸的风险。拆开之后也能起到防爆的效果。这一改动显著提升了加注效率。推进剂注入流量在此前V2阶段每秒近两吨的基础上又提升了半吨。超重助推器虽然增加了400吨推进剂，但加注时间反而变短了。

发射台耐受度提升，允许33台猛禽3同时点火。另一方面，猛禽3的推进剂消耗速度也更快。33台猛禽3每秒钟要消耗接近24吨推进剂，其中光是甲烷就超过5吨。这意味着V2阶段的助推器甲烷降液管流量不足，没法在点火瞬间给33台发动机同时输送燃料。为此，V3版星舰换装了50米长、直径3米的巨型降液管，尺寸与猎鹰九号一子级差不多。这进一步导致超重助推器底部管线需要重排。此前助推器底部的着陆液氧罐与甲烷降液管集成在一起，现在也要挪到侧边。空间布局一定程度上回归到了早期29台发动机的版本。所以V3版星舰助推器底部出现了好几道绕形的液氧管线。这次试飞助推器在热分离后出现点火混乱，火箭底部出现爆炸，问题很可能就是这套复杂管路存在隐患。此外，不该点火的发动机也出现短暂点火，这可能也与猛禽3的共振管点火机制有关。

去年6月，S36在静态点火时爆炸，炸毁了梅西测试场。11月，B18在梅西测试台进行压力测试时再次发生爆炸。好在加注的不是推进剂，负债损失不大。这两次事故故障模式几乎一致，都是复合材料压力容器爆裂，进而引发了连锁反应。这不是SpaceX第一次吃这方面的亏。早在2016年9月，猎鹰九号进行静态点火时就发生过类似的爆炸事故。当时卡角SLC-40号发射台被炸毁，而且当时SpaceX为了赶进度，在静态点火之前就提前安装了载荷阿莫斯6号卫星，结果爆炸顺带把卫星也炸没了。复合材料压力容器内部装载的是高压惰性气体，用来给火箭管路进行吹扫、惰化以及消防抑爆。事后排查是因为猎鹰九号团队追求最大效率，用最快速度向压力容器内注入氦气，导致容器内胆出现脆化。之后火箭加注液氧时，液氧渗透到碳纤维层并引发爆炸。具体到星舰S36与B18的爆炸，是因为复合材料压力容器的供货质量出了问题。SpaceX为了解决这一隐患，一方面加强了质检，另一方面降低了容器运行压力，而对应的就要增加容器数量。超重助推器要用边条翼包裹外挂的压力容器。现在容器数量增加了，所以B19有两个边条翼被显著拉长。而边条翼拉长又会影响着陆阶段的气动布局，所以B19又进一步将两个加长的边条翼挪到了背风面，将另两个没改尺寸的边条翼挪到两侧。

前面提到，猛禽3从液压矢量控制改成了电动。这对全线供电功率提出了更高的要求。V3版星舰进行了全面的电气化升级，首次搭载了先进航电设备，增加了约60个定制航电单元，将电池、逆变器与高压配电系统集成为组件。全舰峰值电功率达到9兆瓦，相当于上海近两万户家庭的平均用电功率，比传统火箭高出两到三个数量级。之前星舰级间段有热分离环，超重助推器可以把电气系统集中布置在甲烷贮箱顶部与热分离环之间。现在星舰取消了热分离环，改成了固定支架，同时电气系统还大幅增加，没地方放。所以SpaceX在超重助推器外壁新增了电气舱，还做了分布式的布局来隔离风险。不知道是不是故意的，电气舱外形有点像PCB板的电阻器。全舰电力冗余提升，也提升了飞船上面级卫星分发器的性能。通过更新执行器与逆变器，提升了卫星弹出速度。之前上面级在弹出每层第二个卫星时都要先退回到初始位置，而在这次试飞中，分发器不需要再回退就能弹出第二颗星。此外，V3版星舰还配备了50多个摄像头，舰地通信链路带宽达到480兆比特每秒。飞船上面级的后襟翼动作系统也得到了升级。之前每个后襟翼配备两个动作器，现在简化成了一个，但是配备上了三台电机。减重的同时提升了性能。

今年下半年，SpaceX可能会开展在轨燃料加注测试。在轨任务时长的增加会新增风险。比如低温燃料在低重力环境下晃动、沸腾，在管道中形成气泡。这都会影响上面级再入返回的安全性。为此，星舰上面级对集气管做了真空夹套全覆盖，同时加装了高压电动低温循环系统。

尽管V3版星舰为了实现运营化做了诸多升级，但仍然有多处阻碍等待解决。首先是上面级的载荷舱空间还是不够用。V3版星舰目标是单次发射60颗V3版星链。SpaceX还专门做了模拟动画，但仔细看模拟动画出现了穿模，最上面几层卫星是塞不进去的。如果不大幅改动卫星分发器设计，现阶段载荷舱只能装下不到50颗V3版星链。其次，V3版星链的进度不理想，未来的算力卫星更是还没有完成设计。这次搭载的卫星模拟器是按照V3尺寸设计的，但两颗安装照明灯与摄像头的卫星仍然是用V2 Mini改装到V3重量上的。所以画面中可以看到，卫星面板长度比主纵梁小了一大截。考虑到SpaceX马上要IPO，如果手头有拿得出的V3版验证星，有足够的动机做上舰验证。这说明V3版星链的开发进度还远没有达到验收交付的阶段。地面系统虽然增加了耐用性与敏捷度，但目前地面系统的燃料、用水供给都还要依赖外部用槽罐车运输。在这次试飞之前，有人拍摄到星舰基地外围停靠了漫长的车队。以现在的后勤补给能力，肯定没法开展航班化发射。星舰项目从生产、测试到发射周转都已经进入到了阶段性的瓶颈期，节拍很难进一步提升。想要加快进入运营阶段，就要大规模新建生产发射基地。目前，佛罗里达州有三座新建的发射塔。此外，还有一座新建的大型星舰工厂，建筑面积接近7.6万平，超过10个标准足球场，厂房高度接近116米，能同时容纳24枚星舰的生产与翻修。但这还是小场面。最近美国地方媒体爆出一条更夸张的消息，说SpaceX准备在路易斯安那州买下一大块沿海用地，总面积约550平方公里，接近半个浦东。如果这一交易落实，那接下来的几年我们能看到SpaceX更夸张的狂飙突进。

2014年，法国官员访问SpaceX工厂时，被猎鹰九号震撼到了，回国后写报告说这是蒸汽压路机，老航天都要被按在地上摩擦。之后的全球航天格局也确实如此。如果今年下半年星舰顺利解决V3阶段的技术问题，在明年进一步扩大产能与发射基地，那么到2030年之前，SpaceX之外的航天活动，在统计上将可以忽略了。

本期节目我多次引用了一本书，《马斯克：重回太空》。此前SpaceX相关最畅销的书是《马斯克传》，但那本书太聚焦于马斯克的个人传奇，读者只能看到马斯克很激进、很偏执，然后项目似乎稀里糊涂就做成了。这很容易造成叙事滑坡，把项目管理讲成了成功学。好像只要老板足够疯、足够狼性，就能创造奇迹。如果有不靠谱的老板相信了这套叙事，那一定是企业的灾难。《马斯克：重回太空》这本书虽然书名带上了马斯克，但写这本书的作者是资深航天编辑，不是人物传记作家。这本书从SpaceX项目团队视角出发，详细梳理了企业发展史。书中充分描绘了SpaceX项目团队在面对资金紧张、监管压力、技术困难以及事故灾难的时候，如何用一套全新的方法论把项目稳步推进，创造了一个又一个奇迹。如果你对航天感兴趣，对SpaceX的项目管理逻辑感兴趣，我推荐你入手一本。购买链接我在评论区置顶了，欢迎大家下单。

好，本期节目到此结束，感谢各位收看，我们下期再见。