“筷子”夾火箭成功，馬斯克遙遙領先？
2024年10月13日，美國太空探索技術公司（SpaceX）在得克薩斯州博卡奇卡基地成功實施了“超重助推/星艦組合體（IFT-5）”（以下簡稱“星艦”）的第五次試飛。這次試飛取得了重要突破，第一級火箭“超重”助推器首次實現“筷子”機械臂捕獲回收，第二級火箭“星艦”飛船實現了在海面的低速垂直濺落，標誌着SpaceX在“星艦”完全可重複使用目標的道路上邁出重要一步。
SpaceX以其快速迭代的研發模式，正在推動航天技術的革命性發展，對未來航天產業發揮着重塑和引領作用。未來兩年，“星艦”還將開展超過5次的試飛改進發射任務。儘管如此，“星艦”要實現2026年美國載人登月的預期目標，仍面臨諸多挑戰。
SpaceX在“星艦”的第五次試飛中成功回收了“超重”助推器B12。圖片來源：SpaceX
“千里穿針”
SpaceX目前的“獵鷹9號”火箭一級回收方式，需要在海上着陸後，由工作人員固定火箭，經過數天至十幾天的運輸才能返回港口。到達港口後，還需使用吊機起吊、轉運，收攏或拆卸着陸腿，才能進入廠房開始翻修。這一過程不僅延長了火箭的翻修週期，而且火箭上攜帶的着陸腿在發射階段也是不必要的負重，降低了效率。
馬斯克的最終目標是讓火箭像民航飛機一樣重複使用，着陸後僅需簡單檢查即可重新加註推進劑並再次發射，甚至一天內執行多次發射。爲提升火箭回收和複用效率，SpaceX在“星艦”項目伊始就提出了一級火箭直接飛回發射臺的設想。通過取消着陸腿，火箭變得更輕、更簡潔。用於回收的“筷子”既可作爲發射前的總裝塔吊，又可用於捕獲火箭，實現一機多用，無須額外設計專用的回收設備。
“筷子”回收也需要克服兩個方面的挑戰：一是着陸精度要求極高，火箭需要以極高精度飛回發射臺，利用火箭貯箱側壁上兩個小型的倒L形掛點被“筷子”準確捕獲。這一過程被形容爲“千里穿針”，難度極大。二是回收失敗風險，如果回收失敗，可能會損壞發射臺或周邊的發射設施，造成嚴重的經濟損失並影響後續發射計劃。這一風險高於“獵鷹9號”回收失敗的影響。
爲了降低風險，在“星艦”第五次發射試飛的一級返回過程中，系統持續監測發射臺和火箭的狀態。只有當所有狀態正常，且發射人員手動下達指令時，一級火箭纔會嘗試飛回發射臺進行回收。如果火箭出現異常，如柵格舵卡澀、推進劑泄漏、火箭姿態失控等，火箭將選擇在海上着陸，避免對發射臺造成損害。
這次“星艦”發射六分鐘後，一級“超重”助推器與二級飛船分離並返回，被一對18米高的機械臂“筷子”準確捕獲。之後，二級飛船繼續正常飛行，在發射1小時5分鐘左右，成功垂直濺落印度洋海域。SpaceX第一次測試機械臂捕獲“超重”助推器就取得成功，超出了SpaceX和很多觀衆的預期。
“快速迭代”研發模式順利推進
傳統航天器研發遵循穩健謹慎的原則，強調在地面進行充分測試，力求一次成功。然而，SpaceX採用了互聯網行業常用的“快速迭代”模式。自“星艦”項目啓動以來，SpaceX進行了多次原型機試飛。雖然部分試飛以爆炸或失敗告終，但每次試飛都爲工程師提供了寶貴的數據和經驗。
第五次“星艦”試飛，火箭由B12號“超重”助推器和S30號“星艦”飛船組成兩級火箭。從編號可以看出，這之前已進行了幾十次地面測試和短距離飛行試驗。SpaceX的垂直整合模式，使其能夠迅速從失敗中汲取教訓，改進設計。公司內部的工程師團隊高度協作，決策流程簡化，加快了研發進度。此外，SpaceX擁有自己的生產和測試設施，能夠快速製造新的原型機。這種高效的資源整合和團隊協作，大大縮短了研發週期，實現了快速迭代的順利推進。
2023年“星艦”的第一次試飛實現了33個發動機並聯起飛，三個發動機意外關機，火箭在第一、二級分離前爆炸；第二次試飛一、二級成功分離，“超重”助推器和“星艦”飛船先後爆炸；今年3月的第三次試飛一、二級成功分離，“超重”助推器在嘗試着陸點火後解體，“星艦”飛船在再入大氣層時燒燬失聯；今年6月的第四次試飛成功測試“星艦”飛船再入能力，“超重”助推器和“星艦”飛船實現海面軟着陸。
此次第五次試飛成功，標誌着“星艦”在關鍵技術上取得了重要進展，爲實現其設計目標——完全可重複使用的重型運載火箭系統，邁出了堅實的一步。
有望重塑未來航天產業
“星艦”的最終目標是實現火箭的完全可重複使用，包括一級“超重”助推器和二級“星艦”飛船。
這一技術挑戰大幅超過了“獵鷹9號”火箭。首先，“星艦”的運載能力達到了“獵鷹9號”的5—10倍，完全重複使用時可以將100—200噸的有效載荷送到近地軌道。“獵鷹9號”只有第一級火箭可以重複使用，第二級火箭則是一次性的。“星艦”的全部可重複使用，有望大幅降低發射成本。相比傳統一次性火箭，“星艦”的發射成本預計將降低一個數量級以上，使進入太空的成本從每公斤數千美元降至數百美元。
SpaceX計劃基於“星艦”平臺，開發多個版本以適應不同的任務需求，這當中包括貨運版“星艦”，即用於大規模部署衛星、空間望遠鏡和空間站組件，支持星鏈（Starlink）等大型星座的快速部署，提高通信網絡的覆蓋和性能。加油版“星艦”，作爲“太空油輪”，在地球軌道或深空爲其他“星艦”加註推進劑，支持遠距離的月球和火星等深空任務。此外，還有載人版“星艦”，承擔載人登月、登陸火星等任務，具備運送大量人員和物資的能力。特別是載人登月版“星艦”，作爲美國國家航空航天局（NASA）“阿爾忒彌斯”計劃的一部分，要實現將宇航員從月球軌道送至月球表面並返回到月球軌道的目標。特殊任務版“星艦”，用於全球快速貨物運輸、緊急救援、軍事部署等，實現全球範圍內的高速物資和人員調動，可在地球任意兩點間實現一小時內送達。
通過大幅降低發射成本，“星艦”有望使進入太空的門檻大大降低，構建起一條“太空高速公路”，引領並重塑未來航天產業，爲太空經濟的發展提供新的機遇。更低的成本將吸引更多商業公司和機構參與太空探索和開發，促進衛星部署、太空旅遊、資源開採等新興產業的發展。
載人登月依然挑戰重重
按照美國當前的計劃，預期在2026年9月執行“阿爾忒彌斯3號”載人登月任務，但想要實現這一目標，仍面臨諸多挑戰。不久前，航天專家、NASA“從月球到火星”項目的助理副署長拉基莎·霍金斯表示，“星艦”飛船不能直接飛往月球，必須在地球軌道上加滿油後才能前往深空。SpaceX需要至少發射十幾艘“星艦”飛船才能執行“阿爾忒彌斯3號”的月球着陸任務。
爲實現上述載人登月目標，還有多項關鍵技術尚待突破和驗證。一是重量減輕與性能優化，爲了滿足登月任務的需求，“星艦”需要在未來兩年內進一步減輕自身重量，提高有效載荷比。二是太空加油技術，載人登月任務需要在地球軌道上爲“星艦”加註超過1000噸的推進劑，這需要多次與加油船對接，每次轉移約200噸燃料。太空加油技術尚未在實際任務中驗證，需要進行大量試驗，以確保可靠性和安全性。
最後是月球着陸與起飛技術：“星艦”需要在月球表面實現安全着陸和再次起飛。月球表面地形複雜，沒有像地面一樣建好的着陸場和發射場，“星艦”超過50米的高度和巨大質量對着陸穩定性提出了嚴峻挑戰。上面每項試驗都可能需要多次重複才能成功，時間壓力巨大。
SpaceX的“星艦”項目以其大膽的創新和快速迭代的研發模式，正在重新定義火箭和航天器研發的方式，其進步不可否認地對全球航天產業產生了深遠影響。未來，隨着關鍵技術的突破和試飛計劃的推進，有理由期待“星艦”爲人類打開通往更廣闊宇宙的大門，推動航天事業進入新的時代。
（作者系中國航天科普大使）
作者：周炳紅
編輯：杜瑋