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讓“筷子”機(jī)械臂夾住火箭助推器實(shí)現(xiàn)重型火箭第一級(jí)回收——這個(gè)三年前還是人們眼中的“瘋狂”設(shè)想，最近被SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克變成了現(xiàn)實(shí)。
日前，SpaceX新一代重型運(yùn)載火箭“星艦”第五次試飛取得重要突破——第一級(jí)火箭“超重”助推器首次實(shí)現(xiàn)“筷子”機(jī)械臂捕獲回收，第二級(jí)火箭“星艦”飛船在海面成功垂直濺落，向著兩級(jí)全回收復(fù)用的終極目標(biāo)堅(jiān)實(shí)地推進(jìn)了一大步。
本次試飛成功后，馬斯克在社交平臺(tái)X（原推特）發(fā)文稱：“當(dāng)我提出這個(gè)觀點(diǎn)時(shí)，人們都以為我瘋了，但我們會(huì)把它弄好的?！?/p>
“SpaceX正以其快速迭代的研發(fā)和制造能力，為全人類航天事業(yè)發(fā)展趟出一條新路?！焙教祛I(lǐng)域?qū)＜蚁颉吨袊?guó)電子報(bào)》記者表示，自此，未來完全可重復(fù)使用重型火箭的發(fā)展方向有了明確目標(biāo)，對(duì)我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展具有重要借鑒意義。
“筷子夾火箭”利于快速重復(fù)利用
北京時(shí)間10月13日20時(shí)25分，星艦火箭從位于美國(guó)得克薩斯州博卡奇卡的基地發(fā)射升空。約7分鐘后，經(jīng)過多次減速、略帶傾斜的“超級(jí)重型”助推器，在半空中被發(fā)射塔架伸出的兩條“筷子”機(jī)械臂牢牢夾住，從直播畫面上看，如同“千里穿針”。另一邊，星艦飛船在進(jìn)入大氣層后開始出現(xiàn)火光，最終成功垂直濺落在印度洋水面。
根據(jù)馬斯克的設(shè)想，星艦的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將人和貨物送至地球軌道、月球乃至火星。該火箭總長(zhǎng)約120米，直徑約9米，是迄今為止世界上體積最大、推力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭?；鸺蓛刹糠纸M成，第一級(jí)是長(zhǎng)約70米的“超級(jí)重型”助推器，第二級(jí)是“星艦”飛船，兩級(jí)均設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用。本次試飛的主要目的，就是令星艦飛船進(jìn)入大氣層后返回地球著陸在印度洋水域，并首次嘗試回收助推器。
記者注意到，此前許多商業(yè)火箭公司在進(jìn)行相關(guān)火箭的發(fā)射試驗(yàn)時(shí)均采用垂直起降，即讓火箭回到地面。這些火箭通常自帶著陸腿，在一定程度上增加了箭體重量，還會(huì)消耗更多用于運(yùn)輸任務(wù)載荷的推進(jìn)劑。
“‘筷子夾火箭’展現(xiàn)了火箭用著陸腿以外另一種回收方式的可行性。”藍(lán)箭航天朱雀三號(hào)火箭型號(hào)副總師董鍇在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，這種快速回收方式最直接的好處，就是減輕了著陸腿部分的重量，對(duì)于提升火箭運(yùn)載效率大有好處。
“采用著陸腿方案，著陸后需要再次將火箭吊裝、拆除著陸腿、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)并再次吊裝到星艦發(fā)射臺(tái)上，還要再次進(jìn)行和星艦的對(duì)接總裝。特別是星艦助推器很大，吊裝運(yùn)輸都不易。采用‘筷子夾火箭’回收方案后，上述流程完全簡(jiǎn)化了，有利于快速重復(fù)利用?！毙请H榮耀液體火箭總設(shè)計(jì)師季海波表示。
然而，難度可類比“千里穿針”的“筷子夾火箭”，也存在著一些缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。
一方面該方案對(duì)超重助推返回的精度（位置和姿態(tài)）控制要求苛刻?；鸺翱曜印睓C(jī)械臂移動(dòng)時(shí)，允許的相對(duì)位置和距離的誤差范圍不像在陸地上回收那么大。另一方面是失敗風(fēng)險(xiǎn)大。星艦火箭體格龐大，“筷子”機(jī)械臂捕獲回收一旦失敗，輕則砸壞發(fā)射臺(tái)，重則偏航損傷其他設(shè)施，直接經(jīng)濟(jì)損失和后續(xù)發(fā)射進(jìn)度延誤均難以估量。
“快速失敗、快速學(xué)習(xí)”節(jié)約了成本和時(shí)間
從2019年星艦第一次“星蟲試跳”，到2023年4月首次實(shí)驗(yàn)性發(fā)射，再到最近第五次試飛星艦第一級(jí)回收成功，星艦僅用5年時(shí)間，一再突破人們對(duì)商業(yè)航天發(fā)展的想象。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，雖然星艦本次試飛尚未實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的入軌，但基本具備了軌道發(fā)射能力，距離完全復(fù)用運(yùn)載器僅“一步之遙”。
回顧SpaceX整個(gè)火箭回收的研發(fā)歷程，自2009年研制獵鷹9號(hào)火箭時(shí)，該公司就定下了重復(fù)使用的目標(biāo)。經(jīng)過十幾年來不斷的回收嘗試，獵鷹9號(hào)第一級(jí)已經(jīng)成功回收近300次。正是基于堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，SpaceX在研制新一代重型運(yùn)載火箭星艦時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)返廠回收的一次成功。
記者了解到，以往傳統(tǒng)航天器的研發(fā)，遵循穩(wěn)健謹(jǐn)慎原則，力求一次成功。而SpaceX則堅(jiān)持“快速失敗、快速學(xué)習(xí)”的迭代測(cè)試策略。此前，星艦經(jīng)歷了4次軌道試飛，前3次均未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。即便如此，馬斯克及其團(tuán)隊(duì)也會(huì)在試飛結(jié)束后發(fā)文慶祝，表示當(dāng)次試飛為下一次的測(cè)試發(fā)射提供了寶貴的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
SpaceX的垂直整合模式，是支撐其快速迭代的關(guān)鍵。SpaceX擁有自己的生產(chǎn)和測(cè)試設(shè)施，能夠快速制造新的原型機(jī)。此外，公司內(nèi)部工程師團(tuán)隊(duì)高度協(xié)作，決策流程簡(jiǎn)化，加快了研發(fā)進(jìn)度。這種高效的資源整合和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，大大縮短了研發(fā)周期。
在航天馭星副總裁曹夢(mèng)看來，SpaceX的研制模式對(duì)我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展極其借鑒意義?！皩⒊杀炯爸圃旒庸ぶ芷谧鳛檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的頂層約束，通過快速實(shí)現(xiàn)飛行驗(yàn)證對(duì)運(yùn)載火箭這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng) ‘探底’，然后針對(duì)暴露出的問題再快速進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。這種研制模式相較于傳統(tǒng)航天通過大量時(shí)間詳細(xì)論證分析以追求上天前在地面上解決所有問題的研制模式，其實(shí)節(jié)約了成本與寶貴的時(shí)間?！辈軌?mèng)說。
此外，制造能力也是快速解決問題的關(guān)鍵。董鍇坦言，在商業(yè)航天領(lǐng)域，研發(fā)設(shè)計(jì)固然重要，但制造更是重中之重。設(shè)計(jì)是“0-1”，而制造則是“1-10”，只有強(qiáng)大的制造能力，才能支撐快速迭代。
以藍(lán)箭航天為例，董鍇告訴記者，該公司從創(chuàng)立之初便考慮如何提高制造能力，并進(jìn)行了相應(yīng)的產(chǎn)能布局，包括對(duì)不銹鋼等材料的選擇、對(duì)整個(gè)測(cè)發(fā)流程的不斷優(yōu)化，以及針對(duì)地面試驗(yàn)?zāi)芰Τ掷m(xù)擴(kuò)充產(chǎn)能。
中國(guó)民間力量正快速追趕
馬斯克對(duì)星艦火箭的最終理想是——讓火箭像民航飛機(jī)一樣重復(fù)使用，著陸后僅需簡(jiǎn)單檢查，即可重新加注推進(jìn)劑并再次發(fā)射，一天內(nèi)可執(zhí)行兩次甚至更多次發(fā)射。實(shí)現(xiàn)這一愿景的前提，是要盡可能地降低發(fā)射成本。
“以前人類進(jìn)入空間的能力，以近地軌道為例，常態(tài)化運(yùn)載能力大概就是20噸級(jí)，而星艦直接提高到了200噸級(jí)。對(duì)于進(jìn)入空間載荷單位質(zhì)量的發(fā)射成本，在沒有獵鷹9號(hào)之前大概是3萬到5萬美元/公斤，獵鷹9號(hào)將其降到了2000到5000美元/公斤，然后星艦進(jìn)一步降低到200至400美元/公斤。”曹夢(mèng)告訴記者。
記者了解到，作為成功案例，星艦是商業(yè)航天企業(yè)的效仿對(duì)象，而我國(guó)火箭回收項(xiàng)目也正有序展開。
藍(lán)箭航天的可重復(fù)使用液氧甲烷運(yùn)載火箭——朱雀三號(hào)，已于今年1月完成可重復(fù)使用火箭垂直返回技術(shù)首次飛行試驗(yàn)；9月11日完成了10公里級(jí)垂直起降返回飛行試驗(yàn)。
此外，星際榮耀的雙曲線二號(hào)、中科宇航的力箭二號(hào)、星河動(dòng)力的智神星一號(hào)以及天兵科技的天龍三號(hào)等可重復(fù)使用火箭也在按計(jì)劃攻克各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中，星際榮耀旗下雙曲線二號(hào)驗(yàn)證型火箭（SQX-2Y）已在2023年11月、12月完成兩次垂直發(fā)射、垂直回收飛行試驗(yàn)；天兵科技于6月23日完成10公里及垂直起降試驗(yàn)。
星艦試射成功也提醒中國(guó)商業(yè)航天企業(yè)，要在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，中國(guó)商業(yè)航天企業(yè)還需不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。
“總體來看差距還是非常明顯的，我們的短期目標(biāo)是先努力趕上SpaceX獵鷹九號(hào)穩(wěn)定發(fā)射和回收的水平。”據(jù)董鍇透露，藍(lán)箭航天正通過輕質(zhì)不銹鋼、全流量發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)制造對(duì)設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)、快速驗(yàn)證，形成追趕的基礎(chǔ)。如果順利地話，藍(lán)箭航天計(jì)劃從明年開始，進(jìn)行朱雀三號(hào)的三次飛行，期望在三次飛行內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)一子級(jí)的回收。
星際榮耀、天兵科技等中國(guó)商業(yè)火箭企業(yè)也計(jì)劃于2025年起實(shí)施“入軌+回收”試驗(yàn)。
作者丨齊旭編輯丨諸玲珍美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東
