火箭回收復(fù)用新革命：SpaceX的 “超級大筷子”

前言

2021年底馬斯克要在2022年進(jìn)行12次星艦發(fā)射的豪言壯語言猶在耳，然而12月28日美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）宣布，對星艦基地的環(huán)評報告推遲到今年2月底發(fā)布。按慣例發(fā)布發(fā)射星艦的許可更在其后，舉世矚目的星艦首飛恐怕要等到至少4月份，馬斯克和他的SpaceX公司也只能做更多準(zhǔn)備工作。目前他們正在積極測試星艦的發(fā)射和捕獲塔（它被馬斯克稱為Mechazilla，國內(nèi)有翻譯為“機(jī)甲酷斯拉”），而其中最引人注目的當(dāng)屬被稱之為“筷子”機(jī)器人（Robot Chopsticks）的捕獲機(jī)械臂，它將是未來星艦快速回收復(fù)用的核心！

來自東方的神秘筷子

2021年4月10日，馬斯克首次在推特用“Mechazilla”來稱呼用于抓住星艦巨型火箭芯一級及““超重””助推器的發(fā)射塔，8月份他又在推特透露，SpaceX公司將嘗試用機(jī)器人“筷子（Chopsticks）”捕獲有史以來最大的飛行物體，他還形象地調(diào)侃道，Mechazilla捕獲星艦的能力，就像用筷子夾起小塊壽司一樣。這么看來，這對“超級筷子”的靈感居然是來自東方的神秘力量。SpaceX的粉絲自告奮勇制作發(fā)布了一段動畫視頻，猜測Mechazilla捕獲星艦的工作方式，視頻中發(fā)射塔展開一對機(jī)械臂抱住”超重”助推器，這樣的想法十分瘋狂，但卻得到馬斯克的回應(yīng)稱“非常相似”！

隨著時間的推移，馬斯克的“超級筷子”開始浮出水面——

10月6日到10月20日間，Mechazilla發(fā)射捕獲塔上陸續(xù)安裝了星艦維護(hù)的QD臂和捕獲星艦的一對超級機(jī)械臂，為測試“筷子”機(jī)械臂做好準(zhǔn)備。10月28日“超級筷子”首次活動，或許是無法進(jìn)行星艦軌道發(fā)射的無奈，今年以來“筷子”機(jī)械臂的測試尤其活躍，讓這臺Mechazilla張牙舞爪十分吸睛：

1月4日午夜，Mechazilla發(fā)射捕獲塔上的“超級筷子”進(jìn)行了升降和大幅度的伸展動作，這次測試是機(jī)械臂安裝以來的首次升降移動動作，也拉開了“超級筷子”測試的序幕。

1月8日的第二輪測試中，“超級筷子”又進(jìn)行了大幅度的擺動測試活動，眼尖的粉絲還發(fā)現(xiàn)上方的QD臂安裝了彈性抓盤，以避免接觸星艦飛船時擦傷不銹鋼船體和防熱瓦。

1月10日的第三輪測試中，“超級筷子”陸續(xù)進(jìn)行了升降和擺動測試，為捕獲星艦一級進(jìn)行更全面的測試，Mechazilla發(fā)射捕獲塔揮舞著“超級筷子”看起來十分“囂張”，可惜的是，它等待的”超重”助推級仍然遙遙無期。

1月11日，不甘寂寞的Mechazilla發(fā)射捕獲塔繼續(xù)進(jìn)行測試，這次為了模擬捕獲的”超重”助推器，這對機(jī)械臂上掛上了兩套模擬水袋。注水后的水袋能模擬幾乎耗盡燃料的”超重”，測試“超級筷子”的懸掛能力，“超級筷子”僅用約7分鐘就順利登頂，不過掛著水袋的畫面實(shí)在有些滑稽。

“超級筷子”掛著兩套模擬水袋

毫無疑問，未來Mechazilla發(fā)射捕獲塔和“超級筷子”將進(jìn)行更多的測試，扎扎實(shí)實(shí)地為迎接從天而降的”超重”火箭做好準(zhǔn)備?！俺壙曜印钡幕厥辗绞斤L(fēng)險很大，回收一旦失敗，不僅作為星艦一級的”超重”助推器要折戟沉沙，連整個Mechazilla發(fā)射捕獲塔都很可能在爆炸中化為烏有，甚至可能影響整個星艦基地……正式實(shí)施火箭捕獲前，自然要慎之又慎多多測試。

為何轉(zhuǎn)向超級筷子？

熟悉航天歷史的人，哪怕僅僅是關(guān)注SpaceX公司的獵鷹九號火箭回收復(fù)用經(jīng)歷的人，都能看出這對“超級筷子”的回收方式和傳統(tǒng)的著陸腿方式毫無相同之處，這樣別出心裁的瘋狂想法，徹底顛覆了傳統(tǒng)的火箭回收概念。當(dāng)然，現(xiàn)在火箭回收的“傳統(tǒng)”概念，本來就是馬斯克和SpaceX公司新闖出來的路，然而在其他人學(xué)習(xí)借鑒尚未成功的時候，馬斯克就帶著團(tuán)隊勇闖新路，這樣的創(chuàng)新速度固然令人敬佩，但是冒這么大的風(fēng)險，又有什么必要么？

馬斯克曾表示星艦研發(fā)要花數(shù)十億美元甚至更多，現(xiàn)在美國國家航空航天局（NASA）雖然給出了超過29億美元的星艦登月器研制合同，但按照里程碑式合同的慣例，這筆巨款需要按照研制進(jìn)度、合同執(zhí)行節(jié)點(diǎn)來分批給付。因此，在星艦飛上地球軌道前，這筆29億美元的合同實(shí)在遠(yuǎn)水難救近渴。星艦研制資金壓力大，而環(huán)月和登月的時間點(diǎn)又緊，馬斯克還要革命性的更新回收技術(shù)，屬實(shí)有著不得已的緣由，那就是——獵鷹九號的“傳統(tǒng)”回收方式短板太嚴(yán)重了，如果星艦沿用獵鷹九號的傳統(tǒng)著陸腿回收方式，就不要指望實(shí)現(xiàn)夢想中的快速和廉價的重復(fù)使用，而與之相伴的在軌加注、載人登月和載人登火也都要成為黃粱一夢。

截至1月13日晚上的Transporter-3小衛(wèi)星拼車發(fā)射任務(wù)，獵鷹九號芯一級已經(jīng)進(jìn)行了總共102次著陸，以及80次復(fù)用一級的發(fā)射飛行，著陸腿可以說是這輝煌成績中的重要“功臣”。但這不等于說它完美無缺。

首先，增加了火箭的自重，巨大的著陸腿雖然大量使用復(fù)合材料，但重量也著實(shí)不小。其次，一級火箭著陸時很難落到最中心，而且著陸腿展開著陸時可能出現(xiàn)“站立”不穩(wěn)的情況，有幾率挫傷發(fā)動機(jī)和箭體，甚至箭體傾覆讓回收功虧一簣。另外，海上降落時回收船只長途航行返回，一般要耗時數(shù)天，到岸還有一系列檢測維護(hù)操作，陸上降落也需要將垂直的箭體放倒，進(jìn)行基本的檢測和維護(hù)，合格后才能重新投入發(fā)射，整個周轉(zhuǎn)周期就更長了?；鸺龑?shí)驗(yàn)室公司曾表示，對于他們來說，火箭回收復(fù)用更重要的價值在于縮短周轉(zhuǎn)周期，而馬斯克現(xiàn)在顯然對獵鷹九號的回收復(fù)用周期并不滿意。

然而，巧婦難為無米之炊，為了NASA載人發(fā)射任務(wù)，獵鷹九號火箭基本設(shè)計已經(jīng)凍結(jié)，很難再進(jìn)行革命性的改進(jìn)和提高了，進(jìn)一步提高回收復(fù)用能力的希望，就要靠正在研制的星艦了，而SpaceX公司為了進(jìn)一步提高復(fù)用能力，縮短復(fù)用周期所做的嘗試，推動了現(xiàn)在星艦基地Mechazilla 發(fā)射捕獲塔上“超級筷子”的誕生。富貴險中求，“超級筷子”雖然看起來工程風(fēng)險很大，一旦成功帶來的收益也是極為驚人的。

筷子也是核心競爭力

提到馬斯克的星艦，自2016年馬斯克在國際宇航大會提出以來，航天迷們對其關(guān)鍵技術(shù)如數(shù)家珍。不管是令人大跌眼鏡的不銹鋼箭體，還是技術(shù)登峰造極的猛禽發(fā)動機(jī)，或是重復(fù)使用技術(shù)，都構(gòu)成了星艦快速復(fù)用和廉價發(fā)射成本的核心競爭力，現(xiàn)在看來，這對“超級筷子”也是星艦成功必不可少的核心裝備，是星艦復(fù)用競爭力的核心之一。

星艦第一級也就是”超重”助推器的回收著陸原理極其簡單：“超級筷子”機(jī)械臂和星艦的”超重”一級配合使用，”超重”助推器頂部的四個柵格舵在垂直降落末端鎖定為水平位置，機(jī)械臂展開接觸鎖定的柵格舵，吊住下落中的”超重”助推器，隨后移動將其精確放置到發(fā)射架上。從原理上說，“超級筷子”是吊掛而不是夾住火箭箭體，其實(shí)和筷子夾壽司沒多少相似之處，因?yàn)榧词故菐缀撩缀竦牟讳P鋼箭體，9米直徑的”超重”助推器仍然是典型餡大皮薄的結(jié)構(gòu)，絕對是經(jīng)不起這對“超級筷子”如鉗子般夾一下的。

馬斯克推文說“超級筷子”將接住有史以來最大的飛行物，其實(shí)吊掛回收飛行器并非新概念，二戰(zhàn)時期就有吊臂回收飛機(jī)的方式，20世紀(jì)80年代英國人又提出了“天鉤”的概念，并用海鷂戰(zhàn)斗機(jī)做了測試，但馬斯克這對“超級筷子”承接的重量高達(dá)數(shù)百噸，工程難度的確是空前的。

20世紀(jì)80年代英國人提出的“天鉤”概念，并用海鷂戰(zhàn)斗機(jī)做了測試

“超重”和“筷子”的結(jié)合，不僅解決了降落精度的問題，也不用擔(dān)心箭體傾覆，而且無須獵鷹九號一級火箭降落后反復(fù)放平和起豎，降低了對箭體結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步提高了火箭的可靠性。更重要的是，理論上說”超重”助推器降落后直接就能返回發(fā)射塔，隨后測試加注投入下一次發(fā)射，極大地縮短了復(fù)用周轉(zhuǎn)周期，馬斯克吹過的24小時復(fù)用周期，說不定真能成為現(xiàn)實(shí)！

有趣的是，提出這對“超級筷子”的回收創(chuàng)意之后，馬斯克的“牛皮”再進(jìn)一步，他興致勃勃地表示“筷子”抓住”超重”助推器后，能“立刻重新定位”到發(fā)射塔架上，并在“一個小時內(nèi)做好再次飛行的準(zhǔn)備”。如果”超重”助推器和“超級筷子”的回收復(fù)用能力得到驗(yàn)證，不論是新吹的一個小時重新飛行，還是原來24小時周轉(zhuǎn)周期的“牛皮”，都意味著空前的快速復(fù)用能力，也將為實(shí)現(xiàn)高密度航天發(fā)射能力，革命性地降低發(fā)射成本提供了可能。

貝索斯在載人登月器（HLS）合同授予SpaceX公司后，曾攻擊星艦每次發(fā)射需要間隔12天，而一次載人登月需要多達(dá)16次的星艦發(fā)射，才能為地球軌道上的登月星艦加滿燃料。如果星艦無法實(shí)現(xiàn)快速和廉價的重復(fù)使用，載人登月的巨額虧損將是馬斯克無法承受之重。現(xiàn)在星艦基地Mechazilla發(fā)射捕獲塔上的“超級筷子”，作為星艦回收的核心裝備，將決定著馬斯克未來是再創(chuàng)輝煌還是聲名掃地，是星艦重復(fù)使用當(dāng)之無愧的核心競爭力。

超級筷子何日顯身手？

“超級筷子”的作用和價值毋庸置疑，現(xiàn)在也是星艦基地發(fā)射捕獲塔上測試的核心部分。然而，“超級筷子”要想在”超重”助推器回收測試中大顯身手，目前看來仍然有待時日。

美國聯(lián)邦航空管理局的環(huán)評報告推遲到2月底，而按照慣例從環(huán)評報告到發(fā)放發(fā)射許可，一般要等至少一個月之久。星艦的起飛推力和起飛重量都刷新了新的世界紀(jì)錄，成為網(wǎng)紅的星艦制造基地更是備受公眾關(guān)注的項(xiàng)目，這給監(jiān)管部門帶來了更大的壓力，不出意外的話，2月28日能按時發(fā)布環(huán)評報告就相當(dāng)不錯了，這也是很多人認(rèn)為4月或是更晚才能見到星艦首次軌道發(fā)射測試的原因。這樣看來，星艦首次軌道發(fā)射就要等到今年2季度，如果稍有意外甚至可能推遲到3季度。

按照去年5月披露的測試計劃，星艦的首次發(fā)射中無論”超重”助推器還是二級星艦飛船都不返回回收，其中”超重”助推器反推返回星艦基地附近，濺落在距離海岸20英里處的墨西哥灣海面上，而SN20星艦飛船將進(jìn)行一次亞軌道飛行，濺落在夏威夷島東北方的太平洋洋面上。馬斯克曾樂觀地表示，第二次星艦發(fā)射將嘗試使用“超級筷子“捕獲回收返回的”超重”助推器，這是不是意味著”超級筷子“大顯身手為期不遠(yuǎn)呢？

我們必須明白，作為革命性的運(yùn)載工具，星艦設(shè)計和制造都走的是新路，工程上的難度和風(fēng)險很大，它的首次軌道發(fā)射不炸掉馬斯克炫酷的Mechazilla發(fā)射捕獲塔就已經(jīng)是萬幸了，要知道同樣是約30臺分級燃燒循環(huán)的高室壓發(fā)動機(jī)并聯(lián)，蘇聯(lián)N-1火箭是4發(fā)4炸，其中第二次發(fā)射出現(xiàn)火箭發(fā)射史上最大的爆炸，把整個發(fā)射臺炸毀了。

馬斯克曾在獵鷹重型火箭發(fā)射前也說過“不炸發(fā)射臺是萬幸”的話，但好運(yùn)氣不一定一直伴隨他，一旦發(fā)射臺上出現(xiàn)爆炸事故，少則半年多則一兩年的停滯都不意外。如果星艦首次軌道發(fā)射成功，第二次軌道發(fā)射試驗(yàn)我們就能看到“超級筷子”的表演，即使一切順利的話，我們要目睹這一幕壯觀景象也要等到今年6月份或3、4季度。

總而言之，“超級筷子”是星艦降落回收的核心裝備，現(xiàn)在也在積極進(jìn)行測試準(zhǔn)備，但由于星艦軌道發(fā)射測試的風(fēng)險，Mechazilla發(fā)射捕獲塔要張開雙臂大顯身手，至少還要等上半年左右時間，當(dāng)然對于看慣了SLS等火箭的航天迷們來說，這真不是什么遙遠(yuǎn)的事情。