“星艦”首次成功回收！“筷子夾火箭”難在哪？

美國東部時(shí)間13日上午8時(shí)30分許（北京時(shí)間13日晚8時(shí)30分許），美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）新一代重型運(yùn)載火箭“星艦”進(jìn)行第五次試射。該公司表示，發(fā)射塔的機(jī)械臂（這兩個(gè)金屬臂被外界稱為“筷子”）成功夾住了返回地面的超級重型火箭（Super Heavy）?！翱曜訆A火箭”被評價(jià)為航天工程技術(shù)上的突破。

什么是“筷子夾火箭”？

當(dāng)日，“星艦”發(fā)射升空，約兩分鐘后，一級“超重”火箭與星艦分離，開始返回。發(fā)射6分多鐘后，該助推器成功懸掛在兩個(gè)巨大的金屬臂之間。這種全新的火箭回收模式成為本次試飛最大的看點(diǎn)。

據(jù)悉，在名為“Mechazilla”的巨大“星艦”發(fā)射塔上，有三個(gè)機(jī)械臂。一個(gè)是“快速斷開臂”，主要用于給“星艦”加注燃料并在發(fā)射前保持火箭穩(wěn)定。另外兩個(gè)長達(dá)36米的機(jī)械臂則用于捕捉火箭，被比作一雙“筷子”，它們被安裝在超重型絞車上，絞車由巨型電機(jī)驅(qū)動，可以在發(fā)射塔上下移動。

根據(jù)此次試飛的記錄，“星艦”助推器在著陸的最后階段、距離地面約2000米時(shí)，同時(shí)啟動13臺發(fā)動機(jī)制動減速，這些發(fā)動機(jī)具備“萬向推力”能力，即噴嘴可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)方向，以控制助推器姿態(tài)和飛行軌跡。

待降落到一定高度后，外圍發(fā)動機(jī)關(guān)閉，中心位置的3臺繼續(xù)工作使助推器進(jìn)一步減速并幾乎垂直落在兩根“筷子”中間。在距離地面約幾十米高度時(shí)，助推器在發(fā)射塔前垂直懸停。幾秒鐘內(nèi)，“筷子”微微移動并牢牢抓住助推器柵格翼下方的銷釘，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。

事實(shí)上，與其稱該過程為“筷子夾火箭”，不如將其叫作“把火箭停在筷子上”。其技術(shù)難度并不在于機(jī)械臂的靈巧或強(qiáng)大，而是在于如何將龐大的助推器精確懸停在兩根“筷子”之間，稍有偏差就會砸在“筷子”上。

“筷子夾火箭”旨在快速重復(fù)利用

在“星艦”火箭研制之初，SpaceX就提出了“快速重復(fù)使用”的概念，即對助推器實(shí)現(xiàn)快速回收、加注和再發(fā)射。該公司曾提出在一天之內(nèi)，使用同一個(gè)助推器發(fā)射三次的目標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使助推器落回發(fā)射塔，就地檢修、加注和再發(fā)射幾乎是唯一的選擇。即使是在發(fā)射塔附近的著陸臺降落，如此巨大的火箭助推器，必然需要更為龐大的起重機(jī)、運(yùn)輸車等設(shè)備進(jìn)行吊裝和運(yùn)輸，才能將其送到發(fā)射塔等待發(fā)射。這一過程耗時(shí)恐怕都要以小時(shí)計(jì)。降落在海里的打撈、清洗和運(yùn)輸則更為復(fù)雜。

同樣關(guān)鍵的是，SpaceX現(xiàn)有技術(shù)、也就是“獵鷹9”助推器上的著陸支架是“一次性”的，每次著陸后都要檢修和翻新。對“獵鷹9”來說，由于其以液氧煤油為燃料，兩次發(fā)射間需要徹底清洗發(fā)動機(jī)，同時(shí)換一個(gè)著陸支架不會消耗額外時(shí)間?！靶桥灐眲t以液氧甲烷為燃料，簡單維護(hù)即再發(fā)射，更換支架會導(dǎo)致時(shí)間浪費(fèi)。

“筷子夾火箭”有多難

用來抓住“星艦”的塔架被叫做Mechazilla，直譯過來為“機(jī)械哥斯拉”。兩個(gè)機(jī)械臂均為長36米、高18米，承重達(dá)700多噸。

與采用四條折疊腿直接著陸的獵鷹9號火箭不同，SpaceX從一開始就沒有給超重助推器和星艦飛船設(shè)計(jì)著陸支架。

據(jù)浙江大學(xué)航空航天學(xué)院王慧泉教授解析，“筷子回收”主要有兩方面好處——

首先，回收時(shí)在空中就讓火箭掛在機(jī)械臂上，然后直接把一二級火箭堆疊在一起。馬上就能加注燃料、簡單檢修，然后就能直接再次發(fā)射，極大加快了重復(fù)使用的速度。

而獵鷹9號火箭就麻煩多了，著陸后要運(yùn)回工廠翻新、更換、檢測眾多零部件。此外，“星艦”的甲烷發(fā)動機(jī)在燃燒后幾乎無殘留，而獵鷹9號的煤油發(fā)動機(jī)卻有大量結(jié)焦、積碳需要清洗，必須返廠。

其次，省去了著陸支架，火箭有效載荷大大增加，就能裝更多人、貨物和燃料。

“不過，要想實(shí)現(xiàn)塔架抓取回收，還面臨著三大‘?dāng)r路虎’?！蓖趸廴嵝训馈?/p>

第一，準(zhǔn)。塔架回收需要極高的精度，從視頻看，連箭體上的承力點(diǎn)都要對齊機(jī)械臂，差一點(diǎn)就可能功虧一簣，甚至碰撞爆炸。

第二，強(qiáng)。需要箭體承力點(diǎn)有足夠強(qiáng)度。萬一“筷子”把火箭“夾”壞了，就沒法重復(fù)使用了。

第三，穩(wěn)。兩根“筷子”必須有強(qiáng)大的緩沖減震能力，能輕柔地把箭體接住，最大可能地減少沖擊力。

前四次試飛回顧

“星艦”火箭總長約120米，直徑約9米，由兩部分組成，第一級是長約70米的“超級重型”助推器，第二級是“星艦”飛船，兩級均可重復(fù)使用。該火箭的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將人和貨物送至地球軌道、月球乃至火星。

“星艦”目前已進(jìn)行四次軌道試飛。

2023年4月首次試飛時(shí)，火箭在第一、二級分離前爆炸。

2023年11月第二次試飛時(shí)，火箭第一、二級成功分離，但隨后助推器和飛船先后爆炸。

2024年3月第三次試飛時(shí)，火箭第一、二級成功分離，但助推器在嘗試著陸點(diǎn)火后意外解體，飛船再入大氣層時(shí)失聯(lián)。

在2024年6月6日的第四次試飛中，“星艦”基本上完成了所有預(yù)設(shè)項(xiàng)目的測試：“超重”火箭成功實(shí)現(xiàn)可控軟濺落，星艦飛船的襟翼雖然在返回地球期間出現(xiàn)吸熱瓦片受損的狀況，但也算是成功在印度洋濺落。

來源：環(huán)球網(wǎng)、科技日報(bào)、中國商報(bào)、中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)