“星舰”首次成功回收！“筷子夹火箭”难在哪？

美国东部时间13日上午8时30分许（北京时间13日晚8时30分许），美国太空探索技术公司（SpaceX）新一代重型运载火箭“星舰”进行第五次试射。该公司表示，发射塔的机械臂（这两个金属臂被外界称为“筷子”）成功夹住了返回地面的超级重型火箭（Super Heavy）。“筷子夹火箭”被评价为航天工程技术上的突破。

什么是“筷子夹火箭”？

当日，“星舰”发射升空，约两分钟后，一级“超重”火箭与星舰分离，开始返回。发射6分多钟后，该助推器成功悬挂在两个巨大的金属臂之间。这种全新的火箭回收模式成为本次试飞最大的看点。

据悉，在名为“Mechazilla”的巨大“星舰”发射塔上，有三个机械臂。一个是“快速断开臂”，主要用于给“星舰”加注燃料并在发射前保持火箭稳定。另外两个长达36米的机械臂则用于捕捉火箭，被比作一双“筷子”，它们被安装在超重型绞车上，绞车由巨型电机驱动，可以在发射塔上下移动。

根据此次试飞的记录，“星舰”助推器在着陆的最后阶段、距离地面约2000米时，同时启动13台发动机制动减速，这些发动机具备“万向推力”能力，即喷嘴可以旋转调节方向，以控制助推器姿态和飞行轨迹。

待降落到一定高度后，外围发动机关闭，中心位置的3台继续工作使助推器进一步减速并几乎垂直落在两根“筷子”中间。在距离地面约几十米高度时，助推器在发射塔前垂直悬停。几秒钟内，“筷子”微微移动并牢牢抓住助推器栅格翼下方的销钉，发动机关机。

事实上，与其称该过程为“筷子夹火箭”，不如将其叫作“把火箭停在筷子上”。其技术难度并不在于机械臂的灵巧或强大，而是在于如何将庞大的助推器精确悬停在两根“筷子”之间，稍有偏差就会砸在“筷子”上。

“筷子夹火箭”旨在快速重复利用

在“星舰”火箭研制之初，SpaceX就提出了“快速重复使用”的概念，即对助推器实现快速回收、加注和再发射。该公司曾提出在一天之内，使用同一个助推器发射三次的目标。

要实现这一目标，使助推器落回发射塔，就地检修、加注和再发射几乎是唯一的选择。即使是在发射塔附近的着陆台降落，如此巨大的火箭助推器，必然需要更为庞大的起重机、运输车等设备进行吊装和运输，才能将其送到发射塔等待发射。这一过程耗时恐怕都要以小时计。降落在海里的打捞、清洗和运输则更为复杂。

同样关键的是，SpaceX现有技术、也就是“猎鹰9”助推器上的着陆支架是“一次性”的，每次着陆后都要检修和翻新。对“猎鹰9”来说，由于其以液氧煤油为燃料，两次发射间需要彻底清洗发动机，同时换一个着陆支架不会消耗额外时间。“星舰”则以液氧甲烷为燃料，简单维护即再发射，更换支架会导致时间浪费。

“筷子夹火箭”有多难

用来抓住“星舰”的塔架被叫做Mechazilla，直译过来为“机械哥斯拉”。两个机械臂均为长36米、高18米，承重达700多吨。

与采用四条折叠腿直接着陆的猎鹰9号火箭不同，SpaceX从一开始就没有给超重助推器和星舰飞船设计着陆支架。

据浙江大学航空航天学院王慧泉教授解析，“筷子回收”主要有两方面好处——

首先，回收时在空中就让火箭挂在机械臂上，然后直接把一二级火箭堆叠在一起。马上就能加注燃料、简单检修，然后就能直接再次发射，极大加快了重复使用的速度。

而猎鹰9号火箭就麻烦多了，着陆后要运回工厂翻新、更换、检测众多零部件。此外，“星舰”的甲烷发动机在燃烧后几乎无残留，而猎鹰9号的煤油发动机却有大量结焦、积碳需要清洗，必须返厂。

其次，省去了着陆支架，火箭有效载荷大大增加，就能装更多人、货物和燃料。

“不过，要想实现塔架抓取回收，还面临着三大‘拦路虎’。”王慧泉提醒道。

第一，准。塔架回收需要极高的精度，从视频看，连箭体上的承力点都要对齐机械臂，差一点就可能功亏一篑，甚至碰撞爆炸。

第二，强。需要箭体承力点有足够强度。万一“筷子”把火箭“夹”坏了，就没法重复使用了。

第三，稳。两根“筷子”必须有强大的缓冲减震能力，能轻柔地把箭体接住，最大可能地减少冲击力。

前四次试飞回顾

“星舰”火箭总长约120米，直径约9米，由两部分组成，第一级是长约70米的“超级重型”助推器，第二级是“星舰”飞船，两级均可重复使用。该火箭的设计目标是将人和货物送至地球轨道、月球乃至火星。

“星舰”目前已进行四次轨道试飞。

2023年4月首次试飞时，火箭在第一、二级分离前爆炸。

2023年11月第二次试飞时，火箭第一、二级成功分离，但随后助推器和飞船先后爆炸。

2024年3月第三次试飞时，火箭第一、二级成功分离，但助推器在尝试着陆点火后意外解体，飞船再入大气层时失联。

在2024年6月6日的第四次试飞中，“星舰”基本上完成了所有预设项目的测试：“超重”火箭成功实现可控软溅落，星舰飞船的襟翼虽然在返回地球期间出现吸热瓦片受损的状况，但也算是成功在印度洋溅落。

来源：环球网、科技日报、中国商报、中国经济网