SpaceX用“筷子臂”夾住返回火箭，建造火星城市難度不小

出品：科普中國

作者：川陀太空（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

北京時間2024年10月13日晚，SpaceX的星艦完成第五次試飛。

這不是第一次試飛，也不是第一次成功，為什么還是獲得了廣泛的關注？

一方面當然是SpaceX自身的流量體質，但更重要的是，這是首次回收可重復使用的助推器。

星艦是兩級完全可重復使用的超重型運載火箭，由超重型助推器和飛船部分組成。根據(jù)SpaceX的設想，試圖將這兩個部分都回收并重復使用，在運載能力方面，可將100至150噸的載荷送入近地軌道。第五次試飛是首次對超重型助推器進行回收，SpaceX設計了一個類似筷子夾取的回收系統(tǒng)，當超重型助推器精確返回后，由兩個機械臂在半空中將其抓住，飛船部分則濺落到印度洋。

圖1：代號B12的星艦超重助推器返回

（圖片來源：SpaceX）

2021年，編號為SN15的飛船部分已完成垂直起飛和降落測試，所以到目前為止，超重型助推器和飛船部分都已經(jīng)單獨完成垂直降落。

在本次試飛中，雖然助推器成功完成了回收，但星艦的飛船部分再入大氣層時，高溫等離子體侵入翼面轉軸處，出現(xiàn)局部燒穿。所以不能算是一起完成了回收。

因此，對SpaceX而言，下一步則是讓星艦發(fā)射后，超重型助推器和飛船部分都能在星艦基地完成軟著陸。

圖2：編號為SN15的飛船部分在發(fā)射后返回地面

（圖片來源：SpaceX）

星艦與回收系統(tǒng)發(fā)展到什么程度了？

“大力出奇跡”，星艦在加滿燃料的情況下，起飛重量大約5000噸，使用33臺猛禽發(fā)動機，比阿波羅登月任務使用的土星五號還要龐大。

圖3：星艦超重助推器使用33臺猛禽發(fā)動機

（圖片來源：SpaceX）

根據(jù)SpaceX的設想，星艦的主要用途是將人類送往火星，依托其強大的運載能力和重復使用能力，在火星上建造定居點。為了滿足行星際運輸?shù)囊?，星艦的飛船部分內部體積設計得很大，有效載荷艙的高度為17米左右，直徑為8米，容積達到了1000立方米，比國際空間站的加壓區(qū)容積還要大，能夠多裝多運。

星艦在發(fā)射后，超重型助推器返回發(fā)射工位，飛船部分則進入太空，除了部署衛(wèi)星和行星際運輸外，還能夠在地外天體上著陸。為此，SpaceX還專門為飛船部分設計了著陸裝置，推出登陸地外天體的星艦版本，可在月球表面、火星表面著陸、起飛。

從中可以看出，可重復使用要求下的垂直軟著陸模式，在地外天體表面就形成了先天優(yōu)勢，能夠在火星、月球上自主垂直降落。這與我們傳統(tǒng)觀念中對返回艙、軌道艙的認識有較大的不同。

從阿波羅登月開始，在月球等天體上著陸，航天器大致由軌道艙和著陸艙兩個部分，軌道艙負責空間飛行，著陸艙負責登陸，兩者是分開的。比如阿波羅11號的指令艙在月球軌道上運行，鷹號登月艙負責登月。歐洲空間局登陸格拉希門克彗星的羅塞塔號探測器也是如此，登陸艙在彗星表面實施軟著陸，軌道艙則繼續(xù)環(huán)繞運行。

星艦飛船則是一個整體，集成了再入大氣層返回、軟著陸、軌道運行等多種任務角色，并不存在軌道艙和著陸艙等可分離的組件，即便在地外天體上軟著陸，也是以整體的形式。

圖4：阿波羅登月的多艙模式與星艦整體式軟著陸對比

（圖片來源：SpaceX、NASA）

本次星艦第五次試飛，重點在回收超重型助推器。

由于超重型助推器的重量太大，內裝33臺猛禽發(fā)動機，返回質量達到200多噸，所以SpaceX提出了集成塔回收方案，并非獵鷹9號所使用的著陸腿支撐。集成塔回收是一種全新的火箭回收方式，特點在于能夠回收返回質量較大的助推器。目前已有的發(fā)射臺稱為OLP-A，正在建造的發(fā)射臺為OLP-B，每座發(fā)射臺均配備發(fā)射架和集成塔，發(fā)射架的作用是在發(fā)射時為火箭箭體提供支撐，集成塔可輔助固定箭體。

**集成塔的主要結構是兩個巨大的“筷子臂”，**在發(fā)射之前，可協(xié)助星艦垂直安裝，當星艦發(fā)射后，集成塔轉變角色，變成回收裝置。使用“筷子臂”回收，可減少超重助推器的磨損，縮短助推器翻新周期。

圖5：集成塔的主要結構是兩個巨大的“筷子臂”

（圖片來源：SpaceX）

星艦對登月計劃的影響

由于星艦運載系統(tǒng)不斷成熟，直接影響到了美國宇航局的載人登月計劃。

SpaceX與NASA簽訂了載人著陸系統(tǒng)的建造合同，為阿爾忒彌斯三號和四號任務提供著陸系統(tǒng)。可以認為，星艦已經(jīng)作為阿爾忒彌斯計劃的一部分，參與到重返月球任務中。

2019年，美國宇航局提出阿爾忒彌斯計劃，試圖在2024年載人登月。隨著時間的推移，美國宇航局發(fā)現(xiàn)2024年無法達到登月條件，將時間推遲到2026年9月之后。

**星艦任務的進展對阿爾忒彌斯計劃起到了推動作用，美國載人航天出現(xiàn)了重大變革。**原先由獵戶座飛船和太空發(fā)射系統(tǒng)組成的運載體系，開始被打破并升級，加入了星艦的存在。

在星艦出現(xiàn)之前，美國登月計劃主要策略是復制阿波羅登月的硬件，由洛馬公司建造登月艙，將宇航員送上月球表面。隨著星艦項目的推進，可以說，美國宇航局的登月任務已經(jīng)押寶星艦。根據(jù)阿爾忒彌斯三號的規(guī)劃，由獵戶座飛船將4名宇航員送入軌道與星艦對接，兩名宇航員乘坐星艦登月，還有兩名宇航員留在獵戶座飛船上。

不過，目前用于登月的獵戶座飛船狀態(tài)不佳，年初時被發(fā)現(xiàn)飛船上的生命支持系統(tǒng)閥門出現(xiàn)故障，阿爾忒彌斯計劃能否按時實施，目前看是個巨大的問題。

圖6：獵戶座載人飛船生命支持系統(tǒng)的閥門被發(fā)現(xiàn)故障

（圖片來源：NASA）

本次星艦第五次試飛，完成了超重助推器的回收，顯然這個里程碑對于阿爾忒彌斯計劃而言，是個利好消息。但是，阿爾忒彌斯計劃仍然存在更多的不確定性，比如星艦需要安裝著陸腿、獵戶座飛船能否承擔載人轉移的重任，都可能導致阿爾忒彌斯計劃被進一步推遲。

這也就不難理解，美國宇航局為何在2023年8月宣布，將原定載人登月的阿爾忒彌斯三號任務，更改為繞月任務。這足以看出美國在載人登月整體進度方面，仍然處于較為混亂的狀態(tài)，獵戶座飛船整體性能仍然不夠穩(wěn)定，星艦目前還處于迭代試飛中，原定的2026年9月左右的登月時間極有可能被進一步推遲。

圖7：洛克希德馬丁公司公布的登月艙設想

（圖片來源：NASA）

換個角度看，美國傳統(tǒng)的航天企業(yè)，比如波音、洛馬，在阿爾忒彌斯計劃中并沒有展現(xiàn)出中流砥柱的作用，獵戶座飛船甚至出現(xiàn)隔熱罩丟失碳層碎片的離奇失誤，由波音、諾格等研發(fā)的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS運載火箭）除了因技術問題多次推遲外，還面臨發(fā)射成本嚴重超支的問題。白宮預算辦公室給出的評估文件稱，SLS火箭每次發(fā)射成本超過20億美元，波音公司仍然未找到降低發(fā)射成本的有效方法。星艦在短時間內達到多個試飛里程碑，反倒是給阿爾忒彌斯計劃注入了一些可能性。

星艦真的能帶我們前往火星嗎？

星艦之所以在設計上突出超強的運載能力，主要是因為其任務目的所致**。它的目標是將人類送往火星。**

按照SpaceX的說法，要在2050年之前將100萬人送上火星，建立一個火星城市。按照這個目標計算，需要建造1000艘星艦飛船，以每26個月一次的發(fā)射窗口向火星運輸人員和物資。

至少在目前看來，這個計劃仍然有些超出我們的想象。畢竟當前狀態(tài)的星艦也僅僅完成了第一次超重助推器的回收。即便解決了星艦的問題，前往火星仍然存在較大的難度。

圖8：SpaceX的星艦登月想象圖，登月型號的星艦需要安裝著陸腿

（圖片來源：SpaceX）

第一、心理問題。

從地球飛往火星，需要半年左右的時間，人類長時間在封閉空間中生活，可能出現(xiàn)普遍性的心理問題，導致情緒訓練也是太空飛行任務的關鍵。

第二、身體問題。

研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境可能損害細胞結構、導致免疫紊亂、影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼組織等，甚至增加致癌風險，可能產(chǎn)生空間適應綜合癥，對人體構成深遠的影響。移民火星的人員還面臨晝夜節(jié)律改變、睡眠障礙等問題困擾。此外，長時間在地球與火星之間進行空間飛行，以及在火星表面生活，還需要考慮到空間輻射的問題。美國宇航局的相關研究指出，登陸火星的宇航員受到的平均輻射是國際空間站的3倍以上，是地球表面的200多倍。

圖9：SpaceX設想中的火星城市

（圖片來源：SpaceX）

第三、改造火星的問題。

SpaceX在2024年提出建造火星城市的設想，馬斯克認為就地取材是建立火星城市的關鍵，預計在未來7到9年內開始這個領域的研究。所謂的就地取材，就是利用火星上現(xiàn)有的物質，包括使用火星大氣中的氮氣和微量的氧氣進行生產(chǎn)活動。但是要維持一個百萬人口的城市，目前SpaceX也沒有比較可行的方案，更不用說火星城市還能面臨的社會問題等。

客觀來說，本次星艦完成第五次試飛，對星艦項目而言，是個巨大的里程碑。但從SpaceX建造火星城市的角度看，目前還仍然處于起步階段，后續(xù)還需要攻克一系列目前看似無解的難題。

參考文獻：

[1] 太空探索對宇航員心理健康的負擔：敘述性評論

[2] Wikipedia：SpaceX星際飛船

[3] “Mechazilla”是什么？在半空中接住巨大星際飛船火箭的巨臂

[4] 星際飛船面臨月球任務性能不足的問題

[5] 太空輻射對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的風