整改7个月再试飞，马斯克的大火箭又炸了！但比上回成功点？
北京时间昨晚（2023年11月18日）21点左右，美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX）研发的代号为“星舰”的重型运载火箭在美国得克萨斯的自建发射场进行了第二次试验性发射。
本次发射中，代号为B9的星舰一级超重型助推器飞行正常，多达33台火箭发动机均成功点燃并正常工作至分离。
随后，全新设计的火箭“热分离”系统成功分离火箭一二级。但接下来第一级在回收点火过程中突然爆炸。
分离后不久，星舰一级返回途中“计划外快速拆解” | SpaceX
之后，代号为S25的星舰二级正常飞行约6分钟，但在接近燃尽关机时突然自毁失联。
这是星舰继今年4月首次发射以凌空爆炸收场之后，时隔7个月的第二次发射。
整场发射虽有挫折失败，但相对首飞进度确有明显推进，也不枉这么长时间的整改过程。
星舰第二次试飞升空，一级的33台火箭发动机全部点燃 | SpaceX
而在这段半年多的“归零”时间里：
一直秉承“快速迭代”理念的SpaceX对星舰做了哪些升级改造；
仰赖星舰的美国重返月球计划和新一代星链将何去何从；
监管部门与航天新贵之间如何相爱相杀；
今天我们一一盘点。
加注过程中的星舰S25和B9 | SpaceX
第二次试飞——完成首飞未竟的事业
星舰全箭直径9米，高约121米，箭体材料主要采用不锈钢。
第一级被称作“超重型助推器”，高达71米，可加注推进剂3400吨，起飞总推力达到了惊人的7590吨，是“阿波罗计划”使用的土星5号重型火箭的2倍多。
第二级被称为星舰，实际上是特殊的飞船，高约50米，可加注推进剂1200吨，推力1500吨左右。
此外，星舰取消了整流罩，未来会在第二级顶部设置类似航天飞机的可开合式载荷舱，同时迎风面覆盖有隔热瓦，因此具备载荷下行能力。
星舰“雄姿” | SpaceX
为了驱动庞大的箭体，星舰一级使用了33台海平面推力230吨的“猛禽”液氧甲烷发动机，二级则使用了3台海平面版发动机和3台真空推力285吨的真空版“猛禽”。这也是人类首款实用化的全流量分级燃烧循环发动机。
SpaceX公司宣称星舰在两级全回收状态下的近地轨道运力不低于150吨，一次性发射状态运力高达250吨。
在2023年4月20日星舰的首次试飞中，火箭升空后即发现有3台发动机工作不正常，起飞后坚持了62秒，从第85秒开始失去推力矢量控制并开始旋转，最高飞行至距地面39公里高。
当时发射团队选择自毁火箭，但系统作用延迟，耗时40秒才将火箭解体，发射宣告失败。
首飞时呈现倒栽葱状态的星舰 | NasaSpaceFlight
而在昨晚的第二次试飞中，一级33台发动机打了一场“翻身仗”，工作堪称完美。虽然在回收阶段出现异常，但在上升阶段，星舰确实已经大大超越了曾经4射4炸的前苏联N-1重型运载火箭。SpaceX成功打破了单芯级多发并联不可靠的魔咒，N-1的在天之灵终于可以瞑目了。
33台猛禽火箭发动机全部点燃喷出的尾焰 | John Kraus
事实上，星舰原定的首飞流程不同于传统一次性运载火箭。
两级顺利分离后，火箭一级会像猎鹰9火箭第一级返场回收一样，完成调头、点火、反推等流程。不过，出于安全性考虑，星舰首飞时第一级实际上不回收，而是下落至距发射场不远的海面上，再次启动反推，并缓缓落海。
星舰第二级则在绕地球飞行大半圈后再入大气层，并以类似航天飞机的姿态返回，隔热瓦在承受再入高温后，保护第二级进入大气内滑翔并最终坠海，完成验证使命。
星舰第二次发射流程 | Tony Bela
但首飞时星舰连一二级分离都未能完成，更遑论再入返回这种“高难度动作”了。
星舰第二次发射的流程基本重复了首次发射的设计，同样的亚轨道发射，同样的升空后再入大气层，同样的缓缓落海。
与首飞不同的是，在昨晚的第二次发射中，B9和S25顺利完成了首飞时“未完成的事业”，不仅发动机工作完美，分离过程也十分顺利。
但因为一二级相继爆炸，原定首飞计划中的回收和再入流程均未得到验证。
填平大坑，铺上钢板，发射台焕然一新
第二次发射虽然流程类似，但SpaceX并未停下改进的脚步，尤其是在首飞中广受诟病的发射台系统。
星舰首飞时的发射台十分特别，没有建造导流槽或火焰偏折器，而这通常是其他重型火箭发射台必不可少的结构。这些结构可以将发动机的喷流和灼热废气导向周围，同时还会设置喷水装置或储水槽，其中冷却水被喷流冲击时会迅速蒸发，从而有效降低发射台受到的灼烧，并大幅减少噪音，也降低火箭和其他敏感设备遭到声学破坏的可能。
事实上，SpaceX在首飞前已经设计了一套“水冷钢板”冷却降噪系统，但由于前期开展多次静态点火后发射台并无大碍，导致设计团队高估了发射台下方混凝土底板的抗冲击能力。为尽快实现首飞，SpaceX选择用底板硬抗首飞冲击，之后再抽空安装“水冷钢板”。此外，发射台也没有喷水降噪系统。
因此星舰首飞时史无前例的6000吨级推力在发射台引发了一场“碎片雨”，发射台底板被巨大喷流吹出一个大坑，甚至露出了发射台的钢筋和地基。被喷飞的大量碎块四散飞溅，最远甚至落入发射台东侧的海中。
这也引起了美国联邦航空管理局（FAA）和美国鱼类及野生动植物管理局（FWS）有关星舰发射对周边环境和生物影响的重新关注，从而引发拖累第二次发射的监管困局。
星舰首飞后被喷出的大坑 | NasaSpaceFlight
痛定思痛，首飞后的SpaceX先对发射台和地基进行了全面修补，大坑和周边被钢筋混凝土填满，形成了新的坚实底板。
随后SpaceX安装了一整套夹层水冷钢板系统，整个发射台底部都被钢板覆盖，钢板内有中空的夹层和流道，发射时夹层会有大量冷却水流过，快速带走发动机喷流的巨大热量。同时钢板根据发动机分布设置有大量喷水孔，发射时喷出水幕，起到降温降噪的作用。
发射台整修前后对比 | RGV Aerial Photography
7月29日，SpaceX进行发射水冷钢板的全功率喷水试验，从测试视频可见外圈喷水孔的分布正好对应外圈发动机位置，而中央区因为热流密度较高，因此密布喷水孔。
8月7日，S25和B9组合基于水冷钢板系统进行首次全箭静态点火。试验虽获成功，但有多达4台发动机未能如期启动，然而SpaceX坚称符合发射需求。
事实证明，在昨晚第二次试飞中，这套水冷钢板系统确实经受住了星舰33台发动机的烈焰。
水冷钢板进行喷水测试 | SpaceX
63个整改项和监管困局
首飞失败后，FAA迅速介入事故调查，因为这次发射出现多项违反监管许可要求的情况，尤其是星舰“安控系统”（自毁系统）的延迟起效，使FAA对星舰的公众安全性高度关注。
根据FAA公开的监管流程，SpaceX立即开展事故调查，查找根本原因，罗列整改项（纠正措施），经过监管部门对整改的验收后，才能获得新的发射许可。
经过长达5个月的调查，9月9日，FAA宣布结束对首飞事故的技术审查，SpaceX需进行63项整改才能重获发射许可。
同日，SpaceX官方公布首飞失败的主要问题和为复飞所做的技术升级。几天后，又罕见公开了63项整改的具体清单，主要包括以下几方面：
星舰首飞中，火箭一级尾部发生推进剂泄漏，并起火燃烧，火灾切断了飞控计算机的连接，导致大部分发动机失去控制，最终火箭彻底失控。针对该问题，SpaceX实施了一系列贮箱补强措施，例如替换密封件、更改结构设计、用焊接替代某些机械连接、更换高强度螺栓，最后是加强泄露监测，尤其是增加了90多个监测摄像头。
此外，为应对火灾还大幅增配火箭一级的灭火系统，从第二次发射的发动机舱照片可以发现，舱内涂满了黑色的防火涂料，同时所有线束都被包裹。
S25的发动机舱内涂满了黑色的防火涂料，裸露线缆几不可见 | LabPadre
SpaceX承认火箭自毁系统发生预期外的大幅延迟，未能立即摧毁火箭。因此增强并重新认证了自毁系统，以提高系统可靠性。这是官方说法，但媒体认为这项改进的实质就是——增加爆破点，加大炸药量。
从昨晚第二次试飞一级自爆的效果来看，该系统的改进确实是“立竿见影” | NASASpaceFlight
逐帧回放后，有人找到了一级爆炸前最后的画面，确实是自毁系统起作用了 | SpaceX / DutchSpace
SpaceX承认发射台系统遭受了超预期的冲蚀，但坚称发射台的损伤可以得到迅速修复，事实也的确如此。
负责火箭发动机摆动的液压作动器改为电驱作动器，从而进一步减轻发动机重量。
航电方面，除已明确的电缆绝缘、防火包覆、传感器可靠性改进外，还追加了备份线束，并对万向节润滑进行改良。
猛禽方面，增加地面测试，以检查发动机的推进剂泄露情况。此外还进行了有关轴系动力学和疲劳相关的分析。随着猛禽推力的增加，第二次发射中的星舰还选择将起飞时间从6秒缩短至2秒，减少发射台所受的冲蚀。
第二次试飞后的星舰发射台，没有受到明显损坏 | RGVAerialPhotography
除以上需在第二次发射前整改完成的项目外，清单还列有部分长期整改项（Future Action）。这类整改项主要集中在猛禽的可靠性改进上，例如改进点火器的密封设计，由于此次发射的猛禽都已早早生产，除非全部替换，否则点火器无法修改。类似长期项还包括液氧阀门、阀门密封结构、歧管等的设计改进，这些显然需要后续生产的猛禽方可开展。此外，航电领域也有大的长期整改项，要求重新设计火箭的“网络结构”（Redesign network architecture）。
马斯克本人在网上自曝63项整改清单 | twitter
公布整改项后，SpaceX认为已经完成了各项整改，S25和B9已经做好第二次发射的准备，然而监管机构迟迟未能完成审查。整枚星舰就伫立在发射台上，偶尔拆了又装，装了又拆，静静等待那一纸批文的到来。
在10月初举办的美国航天监管听证会上，SpaceX高管公开抨击FAA监管效率低下，不能适应当前商业航天的飞速发展。
直到11月15日，在经历漫长的多方监管审查后，FAA才终于放行了星舰的第二次试验性发射。
SpaceX高管威廉·格斯滕迈尔（William Gerstenmaier）在国会发言抨击监管效率低下 | twitter
点火，喷走火箭一级！
除了满足监管需求的改进之外，SpaceX也一直没有停下技术迭代的脚步。
通常运载火箭在发射事故后的复飞，除为确保复飞顺利的可靠性改进之外，一般不会再进行大幅改进，或引入新的技术风险点。
但业界实在是低估了SpaceX对新技术的疯狂程度，在第二次发射的S25和B9组合上，SpaceX又引入了热分离（hot staging）方案。
所谓热分离，其实就是在星舰一级发动机大部分已经关机，而两级尚未分离的状态下，直接点燃二级发动机，利用二级发动机的喷流，直接将火箭两级喷开，从而达到一二级分离的效果。
B9加装热分离装置前后对比 | SpaceX
而被热分离方案所取代的，是首飞时采用的冷分离方案。而在此之前，SpaceX正是火箭冷分离“流派”的佼佼者。猎鹰9的一二级分离正是采用机械推杆实现，不依托任何火工品或二级喷流，是最标准的冷分离。
SpaceX在火箭设计上几乎没有思维定势，很多在猎鹰9上有效运用，并被友商模仿的技术，在自家星舰上却被轻易推翻，比如成熟的可展开着陆腿被发射台捕获替代，铝锂合金贮箱被不锈钢贮箱取代。
安装前的热分离排焰环和顶部护盖 | SpaceX
总的来讲，冷、热分离并无绝对优劣之分。
以热分离方案为例。其优点在于机构简单，无需额外分离装置；还有分离时一级刚关机，二级便无缝衔接进行点火，减少动能损失的同时提升一定运力。
但缺点也十分明显，一是二级喷流可能会损坏一级，这点对于可回收火箭尤其重要，因此需要对贮箱顶部进行额外防护，而这又会引入一定死重；二是时序控制需十分精确，若一级关机延迟或后效较大，分离后一级有可能再次前冲撞上二级。
经过权衡利弊，SpaceX选择在B9上试用该技术，因此设计了热分离排焰环。同时为保护一级顶部的电池、栅格舵机等航电设备，还特制了一套保护顶盖。
结果便是，星舰全箭比首飞时增高了1米。为此，发射台的二级加注口也被抬高。
抬高后的二级加注口 | NasaSpaceFlight
在昨晚进行的星舰第二次试飞中，首次亮相的热分离效果表现堪称完美，一二级分离过程顺利且成功。
一、二级分离时的状态如下图所示：一级大部分发动机关机，仅保留中央3台；2秒后二级点火，排焰环中会喷出一圈火焰；随后火箭一级被二级发动机喷走。
星舰第二次试飞，一二级热分离瞬间 | SpaceX
但后续一级的爆炸不能绝对排除与热分离有关，具体还有待官方进一步分析。
等不及升空的载人登月舱和二代星链
2021年，NASA宣布SpaceX被选为美国“阿尔忒弥斯”重返月球计划中“载人登月舱”的首家供应商，将在阿尔忒弥斯3号任务中执行首次载人登月。其设计方案是基于星舰的二级改造一款专用于月球登陆的改版“登月舱”。
基于星舰的“阿尔忒弥斯-3”任务架构，其中清晰可见登月舱星舰、加油船星舰、在轨加注用星舰，整体任务架构相当复杂 | NASA
为实现用星舰作为登月舱的目标，SpaceX需设计专门贮存和转运低温推进剂的在轨加注版星舰。为打造星舰登月舱本身，还需针对月球环境进行大刀阔斧的修改和优化。
以上构型能够实现的最关键前提，就是要实现星舰廉价、快速、可靠的回收和重复使用，而这才是星舰项目的核心挑战，也是快速迭代的终极目的，其实也是最艰难和耗时的一步。
随着今年4月星舰首飞失败，以及第二次发射仍然没有成功，进度难免继续推迟。
目前，NASA宣布阿尔忒弥斯3号任务最早发射日期为2025年底，但业界普遍认为这一日期过于乐观，2026年能实现就已经“烧高香”了，推迟到2027年也并不意外。
虽然两次试飞都不顺利，但SpaceX对登月舱任务一直全力以赴，不仅和NASA定期沟通协调，相关研发也没有受首飞失败的影响，相关实物和阶段成果在近期陆续曝光。
8月初的阿尔忒弥斯计划供应商大会上，SpaceX首次展示了星舰登月舱人机控制界面的一些要素。从现场图片来看，依然是SpaceX一贯的简洁科幻风，星舰的界面高度借鉴了载人龙飞船的设计风格和代码，但仍不排除有更多创新设计的可能。
SpaceX展出的星舰登月舱人机控制界面 | twitter
8月中旬，SpaceX利用报废的星舰S22头锥，打造了一个登月舱的密封舱原理样机，侧面不仅安装了人员舱门，而且头锥底部设置了下底用于密封整个样机。至此，这个高达15层楼的巨型登月舱终于从PPT走向实物。
整个样机构成一个完整的加压空间，以后登月任务中宇航员就可以身着常服在该舱内活动。按照原始设计，这个加压舱下面还会有非加压货舱和两部简易电梯，宇航员通过电梯可以直达月表，但目前不包含在原型机中。
从样机提供的9米直径内部空间来看，星舰登月舱的内部空间可谓“豪横”，不仅无需像阿波罗登月舱一样睡吊床、带尿袋，甚至可设置单人间和独立厕所。
登月舱的密封舱的原理样机 | NasaSpaceFlight
登月舱的密封舱的结构示意图 | RGV Aerial Photography
10月下旬，有国外网友发现SpaceX正在发动机试车场中测试一款很小的发动机。因为该发动机测试台与“猛禽”发动机共架，有理由认为其是一款推力较小的液氧甲烷发动机，而目前SpaceX只有星舰登月舱会需要如此“迷你”的液氧甲烷发动机。
该发动机在原设计中用于星舰着陆过程中的姿态调整和最终阶段的落月前减速，这也是登月舱相关研发的侧面证据。
正在测试的疑似登月舱发动机 | NasaSpaceFlight
11月初，又有媒体泄露了两张SpaceX制作的新版星舰登月舱渲染图，相对于第二版登月舱渲染图，又发生了三点变化：
太阳能电池板从外部贴敷式改为内藏可展开式，结构确实更加复杂，但是供电能力大幅增加。
前文提及的着陆、姿控专用小型甲烷发动机从内藏式变为喷口外突式。设置高度也明显下移，这样更易于从贮箱取用推进剂。
底部着陆腿部分结构稍有变化，明显追加一圈可能用于防热的涂层。
新旧两版登月舱对比 | NASA、SpaceX
虽然这版登月舱据传有可能是用于后期登月任务的构型，但仍可见SpaceX对登月舱设计的不断迭代和更新。
虽然SpaceX马不停蹄的推进星舰项目进度，但在10月召开的美国登月发布会上，现任NASA局长仍公开表示对星舰进度不满。
事实上星舰确实是美国载人登月“三件套”中进度最“拖后腿”的，载人登月另两个部分SLS火箭和猎户座飞船虽然进度缓慢，超支严重，长年被媒体和网友诟病。但因项目启动很早（2010年前后），且技术相对成熟稳妥，目前均已接近完成。
而最后一部分的核心——星舰登月舱甚至尚不能入轨，更别提在轨加注和登陆月表了。甚至有传言称如果星舰进度再推，原定载人登月的阿尔忒弥斯3号任务可能会改为不登月。
无独有偶，星舰的进度不仅拖累了美国的“返月大业”，也耽误了SpaceX自家新一代星链的组网进度。
星链的客户增长进度已经等不及专门适配星舰的“完全版”二代星链上天，为此SpaceX推出一版可以适用于猎鹰9整流罩的迷你版二代星链，并已开始组网。迷你版二代星链单星质量高达790千克，是原有1.5版本的两倍还多。
当然适配星舰版本的重量更大，SpaceX表示单星重量高达近2吨，但受限于星舰进度，这批卫星至今只能堆在厂房一隅。
而SpaceX宣布的“手机直连星链”业务也同样受限于星舰进度，目前只能继续挖掘猎鹰9潜力，将迷你版二代星链增重至970千克，最早将于12月发射。而“手机直连”业务的全面铺开，依然要等到基于星舰的下一代星链卫星。
星链目前已落地66个国家和地区，用户突破200万，且仍在快速增加，因此星舰已经成为束缚星链扩张的“紧箍咒”，甚至可以说如今的星舰是“星箭不发，万星难开”。
等不及星舰的二代星链mini版已经开始发射组网 | SpaceX
SpaceX已经官宣“手机直连星链”业务 | SpaceX
经过21年的飞速发展，SpaceX已从籍籍无名的一家初创航企，成为世界运载火箭和卫星领域举足轻重的“巨头”。而星舰作为SpaceX倾家荡产豪赌下注的最重点项目，自然牵动了业界、媒体和无数航天爱好者的关注。作为人类首款可完全重复使用的天地往返运载器，其后续开展的各项试飞，都值得关注。
但我们也要看到，星舰10km级试飞5射4败的纪录和首飞凌空自毁的结局，无不充分暴露星舰项目的高难度和高风险特性。虽然昨晚的第二次试飞取得了长足进步，但后续进入密集轨道试飞的星舰仍有大量技术有待验证，尤其是回收阶段目前还未取得任何进展，而各项试验的成本将呈指数上升，这也是星舰自身融合了过多新技术的必然弊端。
这种激进的设计思路究竟最后能否彻底实现其设计目标，基于星舰的登月舱能否安全的让宇航员往返月面，SpaceX在星舰上的豪赌能否帮助星链项目渡过难关，还要我们拭目以待了。
作者：跆拳道大灰狼
编辑：Steed
封面图来源：Andrew McCarthy
一个AI
星舰又双叒叕敠炸啦！咦，炸到连汉字都快不够用了……
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