北京时间2024年10月13日晚，SpaceX进行了激动人心的星舰(Starship)第五次飞行试验（IFT-5），成功对超重助推器进行了回收，结果振奋人心。
除了围观的广大航天爱好者，航天领域更是对此次飞行试验高度关注，包括中国国家级和民营航天。
作为中国民营航天的代表之一，星际荣耀就组织相关专业人员，对星舰第五次飞行试验的准备工作、实际情况，以及出现的特殊情况，进行了详尽的归纳整理、分析与总结。
现转述如下——
【飞行回顾】
星舰于北京时间2023年4月20日首飞，由于起飞过程中超重助推器有部分发动机无法正常工作，火箭自毁。
在同年11月进行的第二次飞行试验中，尽管星舰成功实现了热分离，最终还是以自毁结束。
随后在2024年3月的第三次飞行试验中，星舰飞船首次达到预定轨道，并对载荷舱舱门以及推进剂转移项目进行了测试，飞行试验取得部分成功。
星舰第四次飞行测试于北京时间2024年6月6日晚进行，超重助推器和星舰飞船都成功完成了软溅落，但再入过程中星舰飞船S29的其中一个前襟翼严重损坏。
下表为星舰历次飞行试验小结：
表1 星舰历次飞行试验小
事后，6月12日，美国联邦航空局（FAA）得出结论，他们不需要对第四次飞行测试进行事故调查：“美国联邦航空局评估了SpaceX星舰第四次飞行任务的运行情况。星舰飞船和超重助推器的所有飞行事件似乎都发生在计划和授权的活动范围内。”
本次试验达成了多项成就：
尽管一台猛禽发动机未能成功点火，超重助推器仍成功完成海上溅落；
星舰飞船首次成功通过了大气层再入，尽管再入过程中一个前翼因高温受损，飞船仍可控制，并顺利完成了“翻转和点火”机动。
这一成就展示了SpaceX在热防护系统和姿态控制方面的进步。
2024年9月22日，马斯克分享了一张从海中打捞出的超重助推器B11的含有部分发动机的照片，用来评估发动机的状态。
图1 打捞出的B11残骸
2024年10月10日，Jeff Foust（著名网站SpaceNews编辑）在个人社交媒体上提到：
“今天，SpaceX公司的比尔·格斯顿迈尔（Bill Gerstenmaier）在一场委员会会议上发表了一些评论。他表示，之前的超重型火箭以半厘米的精度”落入海洋，这为即将到来的接力尝试带来了信心。”
图2 评论（左）以及精度可视化（右图标点处）
【第五次飞行情况】
本章节主要介绍2024年10月13日第五次飞行试验的基本情况，包括飞行产品状态、理论飞行流程以及飞行试验的目的与亮点。
3.1 飞行产品状态
本次飞行使用的一二级组合为超重助推器B12以及星舰飞船S30。
针对第四次飞行试验出现的问题，SpaceX星舰团队对本次飞行试验中的飞行产品进行了一系列优化改进。
3.1.1 超重助推器改进
3.1.1.1 通信与天线
SpaceX对超重助推器上用于保护气瓶的长排罩上的Starlink终端进行了重新设计，采用了方形的新方案，原方案为圆形。
改进的目的猜测为与超重助推器上的其他终端接口进行统一。
图3 超重助推上重新设计的星链天线接口（图右为新设计状态）
3.1.1.2 防热底板
超重助推器B11发动机防热底板边缘的黑色材料疑似为喷漆。
由图5可知，在静态点火之后（B11图片时间为2024年4月7日），漆面局部剥蚀，露出防热底板
。在超重助推器B12黑色喷漆被替换为单层不锈钢钢板围挡，防热大底处可见防热底板及不锈钢板连接痕迹，推测不锈钢围挡对超重型的复用流程起到优化作用，避免重复喷漆。
图4 B11（左）与B12（右）的结构外观变化（整体视角红色标记处）
图5 B11（左）与B12（右）的结构外观变化（局部细节）
3.1.1.3 结构设计
在超重助推器B12的两个稳定点上，每个稳定点的两侧都增加了6个新的加强筋，每一侧增加了3个。
这些新增的加强筋可能是为了提高结构稳定性和强度，特别是在稳定臂锁定到助推器位置。
在捕获超重助推器时，需要对机械臂的夹角进行调整，由张开转为收拢状态。
在此期间，助推器与机械臂的间距不统一，可能会出现碰撞。
这项改动可能是因为在第四次飞行试验后，助推器B14.1在机械臂测试后，稳定点附近出现裂缝。
为确保后续助推器能够顺利执行回收任务，SpaceX对该处结构进行补强。
图6 B14.1在机械臂测试后的纵向与环向裂缝（上）与B12的新加强筋（下）
3.1.1.4 飞行终止系统
超重助推器（编号B12）的液氧贮箱上新增了一个飞行终止系统（FTS-Flight Termination System），位于液甲烷输送管的横向支撑附近，一并增加的还有一个护罩。
图7 B12上新的FTS护罩
3.1.2 星舰飞船改进
3.1.2.1 贮箱压力控制
S30的两个贮箱上方部段均增加了一个新的排气口，阀门也可能因此采用了新设计或布局。
图8 新的甲烷（左）与液氧（右）排气口
此处可能是为了提高安全性或功能性而进行的改进。
例如，可能是为了更好地控制放气过程，防止过度排放或意外泄漏，或者是作为排气系统的一部分，以防止贮箱因温度变化或在操作过程中出现压力过高的现象。
3.1.2.2 通信与天线
星舰飞船S30鼻锥上的小金天线已被拆除并更换为隔热瓦。这些天线曾是S30鼻锥上一个非常突出的特征。
天线右侧的焊缝现在也不存在，这可能表明这些焊缝与天线有关，可能是天线的终端或者是接收器支架，天线取消后，这些支架也一并取消。
图9 头锥背风面处天线变化（左S28，右S30）
图10 迎风面处天线
这些天线现在被集成在载荷舱部分，并且仍然被隔热瓦覆盖。这样的设计改动可能是为了加强对天线的防护，避免飞行过程中在最大动压段被气动力热条件所破坏。
此外，由于天线位于隔热层下方，飞船组装完成后可以保持完整的流线型气动外形，这种设计可以减少空气阻力，同时避免了外部凸起物引起的恶劣热环境。
图11 天线的新位置（位于背风面方框处）
这种新设计与超重助推器级间段处相同，因此这可能是两个部段之间的统一设计，以简化结构。根据某社交网站上的用户提供的信息，可以佐证以上猜想。
图12 网友的相关回复
3.1.2.3 热防护系统
针对第四次飞行测试中暴露的重返大气层问题后，SpaceX对S30的热防护系统进行了多项关键改进，包括更换了更坚固的新型隔热瓦、增加了烧蚀保护层以及在隔热瓦下方加入了一层薄毡。
这些措施部分借鉴了Block 2版本星舰的设计。
图13 “热盾”隔热瓦下方的毛毡
Elon Musk提到，S29的后部使用的双层烧蚀材料在第四次测试中成功抵御了高温侵蚀，这也促使SpaceX在S30的中央部分和翼片等关键部位增加了类似的升级，以增强其重返大气层时的耐热能力，据推测新的隔热瓦的强度是之前的2倍左右。
此外，SpaceX还更换了隔热瓦使用的粘合剂，并在缝隙较大的地方添加了更多填充材料，以解决耐热瓦在生产过程中产生的容差问题，避免飞行试验中的脱落。
图14 “热盾”的旧粘合剂（左）与新型粘合剂（右）
2024年10月9日，有爱好者发现，在S30的左侧有一些隔热瓦与其他不同，推测为测试用的隔热瓦。
在第四次飞行试验中也存在类似结构，不同的是，S29在某些地方刻意缺失一些隔热瓦，可能是用于测试局部的温度数据。
图15 S30左舷测试用隔热瓦（红圈处）
3.1.2.4 箭载摄像头
星舰飞船有效载荷舱上的三角形摄像头块（安装了两个摄像头）已被移除。在以前的星舰飞船上，一个摄像头能够看到前襟翼和后襟翼的铰链，但现在不再需要，或者已被重新定位到更隐蔽的位置。
图16 更换襟翼摄像机
3.1.3 飞行产品优化总结
从以上的变化可以看出，SpaceX重点对星舰飞船S30的“热盾”隔热瓦进行了升级，包括增加填充物、更换设计等。
此外，针对襟翼在第四次飞行试验的表现，在本次飞行试验中，星舰团队更改摄像头设置，着重观察翼面以及襟翼与舰体连接处的位置。
对于超重型火箭B12而言，考虑到本次飞行试验兼具“捕获”与“溅落”两种回收方式，SpaceX为其增加额外贮箱。
整体而言，超重助推与星舰飞船有多处结构进行了统一设计，如超重助推上的星链终端、星舰飞船天线与超重助推天线统一等，这么做可以降低出现错误的风险。
3.2 飞行产品研制和试验历程
3.2.1 超重助推器B12试验历程
B12超重助推器于2022年12月开始建造，并在2023年8月完成组装。该助推器是星舰基地打造的第5枚升级款超重型火箭。
B12超重助推器主要试验项目见下表：
表2 B11地面试验历程
图17 超重助推器B12静态点火
3.2.2 星舰飞船S30试验历程
S30星舰飞船于2022年9月投产，2023年7月开始组装，2023年8月完成。
S30星舰飞船主要试验项目见下表：
表3 S30主要地面试验历程
图18 星舰飞船S30第二次静态点火
3.2.3 完整飞行组合
在星舰飞船S30完成第二次静态点火试验后，SpaceX宣布用于第五次飞行试验的两个部段已做好飞行准备。
2024年9月21日，B12/S30组合体完成第一次组装，并于两天后完成第一次贮箱测试。
贮箱测试后，星舰飞船S30被拆下，同时拆除的还有超重助推器B12上的热分离适配器。
2024年10月5日，B12/S30组合体完成了第二次组装，为第五次飞行试验做准备。
图19 组装过程中的B12与S30
下表为B12/S30组合体的相关试验情况。
表4 B12/S30组合体主要地面试验历程
3.3 飞行实施方案
3.3.1 飞行试验的延迟
2024年6月12日，美国联邦航空管理局（FAA）宣布在SpaceX第五次星舰飞行测试（IFT-5）之前不需要对IFT-4事故进行调查。
8月30日，SpaceX获得了美国联邦通信委员会（FCC）的通讯许可证，标志着飞行准备进入最后阶段。
然而，9月10日，SpaceX宣布FAA将发射日期推迟至11月，理由是超重型助推器的回收测试需要更多时间来审查许可。
SpaceX对FAA的许可程序表示不满，称其过多关注不相关问题，导致进展缓慢，且受到一些线上反对者和利益团体提供的“不准确的科学数据”的影响。
此外，德州环境质量委员会（TCEQ）和美国国家环境保护局（EPA）因SpaceX的水冷钢板系统对环境的潜在影响对其进行了调查和罚款，进一步增加了监管障碍。
SpaceX对此做出回应，强调他们的水冷系统使用的是饮用水，不会对环境造成重大影响，并得到了相关机构的支持。
与此同时，SpaceX指出，FAA的审查程序和环境咨询拖慢了第五次飞行的许可审批，即使这些审查对其他发射公司并没有类似的要求。
这些延误引发了国会议员和航天业人士的批评，他们认为当前的法规影响了美国在太空竞争中的位置。
北京时间2024年10月13日0时21分左右，美国联邦航空管理局（FAA）正式授予SpaceX星舰第五次飞行试验许可证，且该许可证同样适用于第六次飞行试验。
3.3.2 起飞前准备
根据飞行试验前的官网内容，图20给出星舰起飞前的加注与测试等流程:
图20 星舰五飞起飞前准备工作
与星舰第四飞时相比，本次飞行试验中，星舰飞船液甲烷提前50s开始加注，液氧提前1min 40s开始加注。整体加注结束时间与第四飞相同，本次持续加注时间延长50s。
超重助推器液甲烷提前40s开始加注，液氧提前2min 57s开始加注。整体加注结束时间与第四飞相同，本次持续加注时间延长40s。
除此以外，其余流程无显著变化。
以下为起飞前阶段关于燃料加注的相关对比：
表5 IFT-4与IFT-5起飞前准备对比
3.3.3 飞行阶段
根据飞行试验前的官网内容，图21给出星舰起飞后的飞行时序以及理论飞行轨迹：
图21 星舰起飞后官方时序与飞行轨迹
对于起飞后的落区控制，根据起飞前的相关官方通告，星舰飞船预计落入南印度洋，但落区范围比上一次更小。
3.4 第五次飞行试验目标与亮点
3.4.1 飞行试验目标
与第四次飞行试验相比，在本次飞行试验中，超重助推器尝试首次被“机械手”Mechazilla在轨道发射集成塔抓取。
这一大胆的回收方法旨在减少火箭的返航和检查时间，从而提高发射频率。
此外，星舰飞船在完成轨道飞行后尝试溅落印度洋，和之前的测试类似。
3.4.2 飞行试验亮点
本次飞行试验与前四次的不同点在于，SpaceX新增机械臂“尝试捕捉超重助推器”这一环节。
根据官方给出的飞行时序，本次飞行试验在发动机关机、热分离、返航点火、抛弃热分离环以及着陆点火的时间较第四次飞行试验有所提前。
这意味着星舰团队有意降低超重助推器的飞行高度以及飞行速度，尝试提高机械臂的捕获成功率。
对机械臂能否执行捕获超重助推器程序起决定性影响的时间点是在超重助推器着陆前的6s，即《T+00:06:50》时刻。
图22 关键时刻“T+00:06:50”处指令
1)如果机械臂或超重助推器未达到捕获条件，超重助推器直接执行“海上溅落”程序，并进入着陆点火程序，在距发射场数十公里处的墨西哥湾执行海面软着陆，与第四次飞行试验相同。
2)如果达到尝试捕获条件，超重助推器直接执行捕获程序。这意味着，在捕获之前，超重助推器与发射塔需要检测数千条数据，只有在确定超重助推器与发射塔均状态良好、运行正常的情况下，经发射任务总监确认后，才会发出捕获指令。
3.4.3 星舰地面发射和回收系统简述
SpaceX为星舰设计了一种奇特的地面发射和回收系统，即被称为“第0级”的系统，主要由“轨道发射集成塔”（OLIT）和“轨道发射台”（OLM）组成。
图23 星舰地面发射和回收装置
3.4.3.1 轨道发射集成塔
轨道发射集成塔是一个由钢材构成的高塔，高度为146米，由9个钢材料的桁架结构部段组成。每段的截面为正方形，边长约为12米。
桁架结构的4根主立柱采用大尺寸的方形钢材（截面边长1.6米），内部利用较细的钢材连接，提升整体强度。主塔还提供了发射总装和返回捕获的基础支撑，用于安装机械臂、星舰飞船快速断开臂（QD，即脐带臂）、吊装设备等。
图24 轨道发射集成塔主要结构
在这一系统中，机械臂（民间俗称为“筷子”）扮演着至关重要的角色。
它们是双叉臂结构，在卷扬机以及导轨的作用下可以在发射塔架上自由的上下移动，并且能够沿中间纵轴转动。
机械臂由两部分组成：摆臂为助推器和星舰提供支撑，而托架负责将机械臂固定在塔架上，允许其上下滑动。
图25 机械臂主要结构
图26 摆臂上的结构（包括回收导轨、缓冲装置等）
根据国外爱好者推测，机械臂可张开的角度大约为113°，有效捕获长度为20m，此外还根据机械臂的尺寸推测出了可以捕捉的范围。根据SpaceX前期水袋测试，机械臂的最大负载不小于700t。
图27 水袋测试
图28 网友对捕获臂尺寸及张开角度预估图（左）与有效回收范围（右图红色区域）
机械臂上有两处特别的地方：回收导轨处的液压缓冲装置和摆臂内侧的金属盒状吸能结构。
超重助推器在执行回收任务时，位于箭体两侧的着陆支耳率先与导轨接触，此时导轨处于升起状态。
待箭体稳定后，导轨下方的气缸压缩，使导轨向下移动，起到整体缓冲的作用。
这么做的目的是吸收一部分机械能，减小箭体以及机械臂的载荷。
图29 超重助推器回收时捕获臂的动作推测（顺序为从左至右）
因星舰舰体与机械臂均存在一定的控制误差，机械臂的摆臂内侧安装有缓冲装置。
根据推测，该装置在早期为软包覆的泡沫材料，后续可能因为星舰试飞中被尾焰损坏而对其结构进行优化，外部通过金属盒状结构进行包覆，内部缓冲块材料暂未明确是否有更新。
图30 原版缓冲装置（左 IFT-2前）以及改进后缓冲装置（右 IFT-5前）
在本次飞行试验前，还能看到缓冲装置表面的剐蹭痕迹。
图31 机械臂内侧缓冲装置表面剐蹭（红圈处）
3.4.3.2 轨道发射台
轨道发射台主要由发射台基体、喷水降噪系统等组成，满足星舰的支撑、固定与发射要求。
发射台地基使用混凝土浇筑，地下埋有地基桩。星舰首飞时，发射台的混凝土曾因超重助推器发动机尾焰的冲击热解，后续扬起的砂石与部分被破坏结构对发动机进行了破坏，使其失效。
后续SpaceX团队进行了修复以及优化。
图32 星舰首飞后发射台情况
地基上方的钢支撑结构分为斜撑与垂直支撑结构。斜撑结构共6组，上方为发射台的主体。
发射台主体为一个直径约18m的钢制圆环，高约6m，同时也是发射塔的功能区。牵制释放装置、快速脱拔装置等均设置在此处。表6为发射台部分数据统计。
图33 发射台的结构构成
表6 相关数据统计
