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讓“筷子”機械臂夾住火箭助推器實現(xiàn)重型火箭第一級回收——這個三年前還是人們眼中的“瘋狂”設想，最近被SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克變成了現(xiàn)實。
日前，SpaceX新一代重型運載火箭“星艦”第五次試飛取得重要突破——第一級火箭“超重”助推器首次實現(xiàn)“筷子”機械臂捕獲回收，第二級火箭“星艦”飛船在海面成功垂直濺落，向著兩級全回收復用的終極目標堅實地推進了一大步。
本次試飛成功后，馬斯克在社交平臺X（原推特）發(fā)文稱：“當我提出這個觀點時，人們都以為我瘋了，但我們會把它弄好的?！?/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。”航天領域?qū)＜蚁颉吨袊娮訄蟆酚浾弑硎?，自此，未來完全可重復使用重型火箭的發(fā)展方向有了明確目標，對我國商業(yè)航天發(fā)展具有重要借鑒意義。
“筷子夾火箭”利于快速重復利用
北京時間10月13日20時25分，星艦火箭從位于美國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“超級重型”助推器，在半空中被發(fā)射塔架伸出的兩條“筷子”機械臂牢牢夾住，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)馬斯克的設想，星艦的設計目標是將人和貨物送至地球軌道、月球乃至火星。該火箭總長約120米，直徑約9米，是迄今為止世界上體積最大、推力最強的運載火箭?；鸺蓛刹糠纸M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，兩級均設計為可重復使用。本次試飛的主要目的，就是令星艦飛船進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)火箭公司在進行相關火箭的發(fā)射試驗時均采用垂直起降，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，還會消耗更多用于運輸任務載荷的推進劑。
“‘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?！彼{箭航天朱雀三號火箭型號副總師董鍇在接受《中國電子報》記者采訪時表示，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，對于提升火箭運載效率大有好處。
“采用著陸腿方案，著陸后需要再次將火箭吊裝、拆除著陸腿、運輸?shù)桨l(fā)射場并再次吊裝到星艦發(fā)射臺上，還要再次進行和星艦的對接總裝。特別是星艦助推器很大，吊裝運輸都不易。采用‘筷子夾火箭’回收方案后，上述流程完全簡化了，有利于快速重復利用?！毙请H榮耀液體火箭總設計師季海波表示。
然而，難度可類比“千里穿針”的“筷子夾火箭”，也存在著一些缺點和風險。
一方面該方案對超重助推返回的精度（位置和姿態(tài)）控制要求苛刻。火箭朝“筷子”機械臂移動時，允許的相對位置和距離的誤差范圍不像在陸地上回收那么大。另一方面是失敗風險大。星艦火箭體格龐大，“筷子”機械臂捕獲回收一旦失敗，輕則砸壞發(fā)射臺，重則偏航損傷其他設施，直接經(jīng)濟損失和后續(xù)發(fā)射進度延誤均難以估量。
“快速失敗、快速學習”節(jié)約了成本和時間
從2019年星艦第一次“星蟲試跳”，到2023年4月首次實驗性發(fā)射，再到最近第五次試飛星艦第一級回收成功，星艦僅用5年時間，一再突破人們對商業(yè)航天發(fā)展的想象。業(yè)內(nèi)專家認為，雖然星艦本次試飛尚未實現(xiàn)嚴格意義上的入軌，但基本具備了軌道發(fā)射能力，距離完全復用運載器僅“一步之遙”。
回顧SpaceX整個火箭回收的研發(fā)歷程，自2009年研制獵鷹9號火箭時，該公司就定下了重復使用的目標。經(jīng)過十幾年來不斷的回收嘗試，獵鷹9號第一級已經(jīng)成功回收近300次。正是基于堅實的技術基礎，SpaceX在研制新一代重型運載火箭星艦時，才能實現(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)健謹慎原則，力求一次成功。而SpaceX則堅持“快速失敗、快速學習”的迭代測試策略。此前，星艦經(jīng)歷了4次軌道試飛，前3次均未達到預期目標。即便如此，馬斯克及其團隊也會在試飛結(jié)束后發(fā)文慶祝，表示當次試飛為下一次的測試發(fā)射提供了寶貴的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗教訓。
SpaceX的垂直整合模式，是支撐其快速迭代的關鍵。SpaceX擁有自己的生產(chǎn)和測試設施，能夠快速制造新的原型機。此外，公司內(nèi)部工程師團隊高度協(xié)作，決策流程簡化，加快了研發(fā)進度。這種高效的資源整合和團隊協(xié)作，大大縮短了研發(fā)周期。
在航天馭星副總裁曹夢看來，SpaceX的研制模式對我國商業(yè)航天發(fā)展極其借鑒意義。“將成本及制造加工周期作為運載火箭總體設計的頂層約束，通過快速實現(xiàn)飛行驗證對運載火箭這個復雜系統(tǒng) ‘探底’，然后針對暴露出的問題再快速進行設計迭代。這種研制模式相較于傳統(tǒng)航天通過大量時間詳細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，其實節(jié)約了成本與寶貴的時間。”曹夢說。
此外，制造能力也是快速解決問題的關鍵。董鍇坦言，在商業(yè)航天領域，研發(fā)設計固然重要，但制造更是重中之重。設計是“0-1”，而制造則是“1-10”，只有強大的制造能力，才能支撐快速迭代。
以藍箭航天為例，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，并進行了相應的產(chǎn)能布局，包括對不銹鋼等材料的選擇、對整個測發(fā)流程的不斷優(yōu)化，以及針對地面試驗能力持續(xù)擴充產(chǎn)能。
中國民間力量正快速追趕
馬斯克對星艦火箭的最終理想是——讓火箭像民航飛機一樣重復使用，著陸后僅需簡單檢查，即可重新加注推進劑并再次發(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。
“以前人類進入空間的能力，以近地軌道為例，常態(tài)化運載能力大概就是20噸級，而星艦直接提高到了200噸級。對于進入空間載荷單位質(zhì)量的發(fā)射成本，在沒有獵鷹9號之前大概是3萬到5萬美元/公斤，獵鷹9號將其降到了2000到5000美元/公斤，然后星艦進一步降低到200至400美元/公斤?！辈軌舾嬖V記者。
記者了解到，作為成功案例，星艦是商業(yè)航天企業(yè)的效仿對象，而我國火箭回收項目也正有序展開。
藍箭航天的可重復使用液氧甲烷運載火箭——朱雀三號，已于今年1月完成可重復使用火箭垂直返回技術首次飛行試驗；9月11日完成了10公里級垂直起降返回飛行試驗。
此外，星際榮耀的雙曲線二號、中科宇航的力箭二號、星河動力的智神星一號以及天兵科技的天龍三號等可重復使用火箭也在按計劃攻克各項關鍵技術。其中，星際榮耀旗下雙曲線二號驗證型火箭（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；天兵科技于6月23日完成10公里及垂直起降試驗。
星艦試射成功也提醒中國商業(yè)航天企業(yè)，要在競爭中脫穎而出，中國商業(yè)航天企業(yè)還需不斷加強技術創(chuàng)新，提高核心競爭力。
“總體來看差距還是非常明顯的，我們的短期目標是先努力趕上SpaceX獵鷹九號穩(wěn)定發(fā)射和回收的水平?！睋?jù)董鍇透露，藍箭航天正通過輕質(zhì)不銹鋼、全流量發(fā)動機等技術創(chuàng)新，實現(xiàn)制造對設計的快速響應、快速驗證，形成追趕的基礎。如果順利地話，藍箭航天計劃從明年開始，進行朱雀三號的三次飛行，期望在三次飛行內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)一子級的回收。
星際榮耀、天兵科技等中國商業(yè)火箭企業(yè)也計劃于2025年起實施“入軌+回收”試驗。
作者丨齊旭編輯丨諸玲珍美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東
