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美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)又一次創(chuàng)造了歷史，這次的火箭回收方式更是格外吸睛。
10月13日，SpaceX進(jìn)行了星艦的第五次試飛，首次嘗試用名為“筷子”的發(fā)射塔機(jī)械臂在半空中捕獲助推器以實(shí)現(xiàn)回收。之后，二級(jí)成功濺落印度洋，圓滿(mǎn)完成預(yù)定任務(wù)。
直播中，火箭發(fā)射六分鐘后，一級(jí)超重型火箭與星艦脫離，之后返回被一對(duì)巨大的金屬鉗子夾在空中。這是星艦首創(chuàng)并首次使用“筷子式”的回收方式，類(lèi)似于“倒放”一樣的畫(huà)面科幻感十足。
近年來(lái)，火箭回收方式經(jīng)歷了傘降回收、升力式回收到動(dòng)力垂直回收的發(fā)展。因?qū)ΜF(xiàn)有火箭設(shè)計(jì)改動(dòng)小、著陸精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)力垂直回收方式已成為中大型運(yùn)載火箭回收的首選方式，其通過(guò)火箭自身的著陸腿垂直降落到著陸場(chǎng)。例如，SpaceX獵鷹9號(hào)就采用此種方式。
星際榮耀副總經(jīng)理季海波對(duì)界面新聞?dòng)浾叻Q(chēng)，用“筷子”回收方式的優(yōu)勢(shì)有三方面。
其一，無(wú)需在箭上安裝沉重的著陸腿，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。箭上著陸腿完全是為了回收的最后階段而安裝的附加裝置，這種附加裝置越少，火箭越優(yōu)化。此外，由于星艦超重型助推器尺寸和重量較大，如果采用著陸腿方案，將容易造成火箭一子級(jí)重量的再度增加，以及運(yùn)載能力的較大損失。
其二，可以大大提高火箭重復(fù)使用發(fā)射的效率。如果采用著陸腿方案，每一次發(fā)射回收均需要經(jīng)歷將火箭再次吊裝、拆除著陸腿、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)、再次吊裝到星艦發(fā)射臺(tái)上的過(guò)程。星艦助推器很大，吊裝運(yùn)輸都不易，其實(shí)會(huì)對(duì)火箭重復(fù)使用的效率有較大影響，而采用筷子夾持回收方案后，以上過(guò)程完全簡(jiǎn)化?？梢灾苯釉诎l(fā)射回收塔架上完成檢查和星艦的再次對(duì)接總裝，從而極大提高星艦的發(fā)射效率。
其三，“筷子”回收方案也省去了海上回收船系統(tǒng)，省去了海上運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，以及海上回收區(qū)天氣對(duì)發(fā)射時(shí)間的影響?！胺祷匕l(fā)射塔架系統(tǒng)進(jìn)行‘筷子’回收肯定也會(huì)損失一部分運(yùn)載能力，但對(duì)于星艦+超重型助推器來(lái)說(shuō)，運(yùn)載能力已經(jīng)足夠大，比起收益，這點(diǎn)損失可以接受?！?span>季海波稱(chēng)。
“用‘筷子’回收方式又快又輕?！毙呛觿?dòng)力創(chuàng)始人、CEO劉百奇也對(duì)界面新聞總結(jié)道，“輕”在于取消了著陸腿，減輕了火箭結(jié)構(gòu)重量，提升了運(yùn)載效率；“快”體現(xiàn)在火箭直接回到發(fā)射架上，直接開(kāi)展檢測(cè)維修、加注和再次發(fā)射，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速發(fā)射。此外，這種方式也提高了安全性可靠性，先懸停再夾住，避免了落地沖擊和落地時(shí)站不穩(wěn)等因素。
但“筷子”回收技術(shù)也有較大的難點(diǎn)。
季海波表示，第一，這種方式對(duì)成功率要求更高。由于星艦地面發(fā)射設(shè)施龐大且昂貴，如果超重型助推器在回收最后階段出現(xiàn)失敗甚至爆炸，會(huì)對(duì)這些發(fā)射設(shè)施造成損壞從而造成大的損失。為了避免出現(xiàn)這種情況，可以在超重助推返回發(fā)射回收塔架的飛行過(guò)程中對(duì)火箭持續(xù)進(jìn)行故障診斷，同時(shí)對(duì)地面發(fā)射塔架系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判斷來(lái)決定是否執(zhí)行最終回收，如果發(fā)現(xiàn)故障則放棄回收，直接落海，但這也對(duì)箭上及地面的實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)提出了極高的要求。
“本次星艦第五飛，據(jù)說(shuō)是由地面的發(fā)射任務(wù)總監(jiān)在超重型返回飛行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)飛行中的上千個(gè)數(shù)據(jù)的判決確定火箭正常，最終通過(guò)地面指令發(fā)送到箭上，決定其最終實(shí)施筷子回收?！奔竞２ǚQ(chēng)。
第二，對(duì)控制的要求更高，主要是對(duì)著陸的精度要求更高。季海波稱(chēng)，著陸腿回收方式下，水平著陸精度在10m以?xún)?nèi)都可以保證成功，而筷子夾持回收方案精度至少要在1m以?xún)?nèi)。
“據(jù)SpaceX公司稱(chēng)，超重型助推器回收精度可達(dá)0.5cm，這個(gè)著陸精度非常高?！奔竞２ǚQ(chēng)。
第三，“筷子”回收法對(duì)地面發(fā)射回收裝置的相關(guān)技術(shù)要求同樣很高，在夾持緩沖、火箭和夾持裝置的精確聯(lián)動(dòng)技術(shù)等均是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。著陸腿回收，主要由火箭來(lái)實(shí)現(xiàn)，“筷子”回收方式則需要火箭和發(fā)射塔架系統(tǒng)共同且高時(shí)間同步聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
季海波同時(shí)提及，火箭在飛行臨近發(fā)射回收裝置過(guò)程中的姿態(tài)也非常關(guān)鍵。如果姿態(tài)不佳，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)對(duì)發(fā)射回收裝置產(chǎn)生燒蝕損壞，同樣會(huì)造成夾持回收失敗。著陸腿回收只需要在著陸瞬間滿(mǎn)足著陸位置、速度、姿態(tài)及角速度的多維高精度要求，但“筷子”這種新型回收方案，需要在火箭飛臨發(fā)射回收塔附近、短暫懸停直至最終夾持成功整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，都需要滿(mǎn)足位置、速度、姿態(tài)及角速度的多維高精度要求。且需要發(fā)射塔架系統(tǒng)的筷子裝置高時(shí)間同步性地去實(shí)現(xiàn)夾持功能。
據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》報(bào)道，“超級(jí)重型”火箭在降落過(guò)程中先是點(diǎn)燃9臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，其中6臺(tái)在距離地面約800米時(shí)熄火關(guān)閉，剩余3臺(tái)保持火箭垂直緩降狀態(tài)。當(dāng)火箭下降到約65米高度時(shí)，關(guān)閉其中2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，保持緩慢下降狀態(tài)。最后等待機(jī)械臂水平處在“超級(jí)重型”火箭約2/3的箭體位置時(shí)，火箭轉(zhuǎn)入懸停，機(jī)械臂隨即靠攏并將其捕獲。隨后機(jī)械臂將“超級(jí)重型”火箭放置到發(fā)射架上，以確保安全和穩(wěn)定。
劉百奇對(duì)界面新聞?dòng)浾叻Q(chēng)，國(guó)內(nèi)可能會(huì)跟進(jìn)這種技術(shù)研究，但是直接進(jìn)入到工程型號(hào)研制，還需要論證。
目前，國(guó)內(nèi)主要在學(xué)習(xí)獵鷹9號(hào)的回收方式，即兩種垂直回收方式，包括返回發(fā)射場(chǎng)的陸上回收以及海上回收。與陸上回收相比，海上回收更靈活，但由回收船的晃動(dòng)，對(duì)火箭姿態(tài)控制等要求更高。
獵鷹9號(hào)是SpaceX研制的可回收式中型運(yùn)載火箭，于2010年6月4日完成首次發(fā)射，2015年12月21日首次完成回收。截至目前，獵鷹9號(hào)一級(jí)助推器成功實(shí)現(xiàn)超過(guò)300次回收。
季海波透露，也有公司在考慮“筷子”這種回收方案，客觀來(lái)說(shuō)，這種方案優(yōu)勢(shì)非常明顯，但對(duì)成功的要求更高、技術(shù)難度更大。
“任何一個(gè)技術(shù)都有適用的條件，不會(huì)適用所有的火箭?！眲倨嬲J(rèn)為。
在季海波看來(lái)，“筷子”回收方案沒(méi)有無(wú)法突破的技術(shù)難點(diǎn)，中國(guó)飛行器制導(dǎo)控制水平完全能夠達(dá)到這個(gè)要求，主要需要一定的資金和負(fù)責(zé)任的魄力去完成。馬斯克的快速迭代能力除了技術(shù)方案的自信，更重要的是充裕經(jīng)費(fèi)的結(jié)果。
他認(rèn)為，星艦這次發(fā)射全面圓滿(mǎn)成功，會(huì)極大降低進(jìn)入太空的成本。理論上如果可以無(wú)限次重復(fù)使用的話(huà)，除去燃料成本外，其他成本可以接近0。
“據(jù)稱(chēng)星艦未來(lái)要將成本控制在幾百萬(wàn)美元以?xún)?nèi)，這樣，火箭發(fā)射單位成本可以降低到每公斤100美元以?xún)?nèi)，這絕對(duì)是顛覆性的?！奔竞２ǚQ(chēng)，星艦第五飛的完美表現(xiàn)在航天領(lǐng)域具有里程碑的意義，絕對(duì)會(huì)極大促進(jìn)整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大航天時(shí)代越來(lái)越近了。
星艦是迄今全球體積最大、推力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭，總高度約120米，直徑約9米，火箭由兩部分組成，分別是一級(jí)助推器“超重型推進(jìn)器”(Superheavy)和二級(jí)飛船“星艦”(Starship)，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，能夠完全且快速重復(fù)使用火箭，將大幅減少將貨物或人員運(yùn)送到地球軌道和深空的時(shí)間和成本。
在此前四次試驗(yàn)中，SpaceX星艦每一次都相較于上一次有所進(jìn)步。
2023年4月首次試飛時(shí)，火箭在第一、二級(jí)分離前爆炸。2023年11月第二次試飛時(shí)，火箭第一、二級(jí)成功分離，但隨后助推器和飛船先后爆炸。
今年3月第三次試飛時(shí)，星艦第一、二級(jí)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)。6月第四次試飛時(shí)，火箭第一、二級(jí)成功分離，并分別按計(jì)劃落入墨西哥灣和印度洋。
針對(duì)第四次試飛時(shí)星艦在重返大氣層時(shí)出現(xiàn)的隔熱瓦損壞問(wèn)題，第五次發(fā)射時(shí)，該飛船重新修改了隔熱防護(hù)并增加了額外的隔熱瓦層數(shù)，給飛船提供更好的保護(hù)。
星艦對(duì)實(shí)現(xiàn)馬斯克的“火星計(jì)劃”以及NASA的阿爾忒彌斯載人航天項(xiàng)目而言來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。今年9月，馬斯克曾發(fā)文稱(chēng)，計(jì)劃在下一個(gè)探測(cè)火星的發(fā)射窗口期進(jìn)行星艦不載人探測(cè)火星任務(wù)。此次任務(wù)將驗(yàn)證飛船完整著陸火星的可靠性。如果著陸順利，計(jì)劃四年內(nèi)進(jìn)行星艦的首次載人探測(cè)火星任務(wù)。