首試即成功，SpaceX星艦的“筷子”式回收強在哪？

美國太空探索技術公司(SpaceX)又一次創造了歷史，這次的火箭回收方式更是格外吸睛。

10月13日，SpaceX進行了星艦的第五次試飛，首次嘗試用名爲“筷子”的發射塔機械臂在半空中捕獲助推器以實現回收。之後，二級成功濺落印度洋，圓滿完成預定任務。

直播中，火箭發射六分鐘後，一級超重型火箭與星艦脫離，之後返回被一對巨大的金屬鉗子夾在空中。這是星艦首創並首次使用“筷子式”的回收方式，類似於“倒放”一樣的畫面科幻感十足。

近年來，火箭回收方式經歷了傘降回收、升力式回收到動力垂直回收的發展。因對現有火箭設計改動小、着陸精度高、適應性強等優點，動力垂直回收方式已成爲中大型運載火箭回收的首選方式，其通過火箭自身的着陸腿垂直降落到着陸場。例如，SpaceX獵鷹9號就採用此種方式。

星際榮耀副總經理季海波對界面新聞記者稱，用“筷子”回收方式的優勢有三方面。

其一，無需在箭上安裝沉重的着陸腿，系統更加簡化。箭上着陸腿完全是爲了回收的最後階段而安裝的附加裝置，這種附加裝置越少，火箭越優化。此外，由於星艦超重型助推器尺寸和重量較大，如果採用着陸腿方案，將容易造成火箭一子級重量的再度增加，以及運載能力的較大損失。

其二，可以大大提高火箭重複使用發射的效率。如果採用着陸腿方案，每一次發射回收均需要經歷將火箭再次吊裝、拆除着陸腿、運輸到發射場、再次吊裝到星艦發射臺上的過程。星艦助推器很大，吊裝運輸都不易，其實會對火箭重複使用的效率有較大影響，而採用筷子夾持回收方案後，以上過程完全簡化。可以直接在發射回收塔架上完成檢查和星艦的再次對接總裝，從而極大提高星艦的發射效率。

其三，“筷子”回收方案也省去了海上回收船系統，省去了海上運輸的時間和風險，以及海上回收區天氣對發射時間的影響。“返回發射塔架系統進行‘筷子’回收肯定也會損失一部分運載能力，但對於星艦+超重型助推器來說，運載能力已經足夠大，比起收益，這點損失可以接受。”季海波稱。

“用‘筷子’回收方式又快又輕。”星河動力創始人、CEO劉百奇也對界面新聞總結道，“輕”在於取消了着陸腿，減輕了火箭結構重量，提升了運載效率；“快”體現在火箭直接回到發射架上，直接開展檢測維修、加註和再次發射，可以實現連續快速發射。此外，這種方式也提高了安全性可靠性，先懸停再夾住，避免了落地衝擊和落地時站不穩等因素。

但“筷子”回收技術也有較大的難點。

季海波表示，第一，這種方式對成功率要求更高。由於星艦地面發射設施龐大且昂貴，如果超重型助推器在回收最後階段出現失敗甚至爆炸，會對這些發射設施造成損壞從而造成大的損失。爲了避免出現這種情況，可以在超重助推返回發射回收塔架的飛行過程中對火箭持續進行故障診斷，同時對地面發射塔架系統狀態進行判斷來決定是否執行最終回收，如果發現故障則放棄回收，直接落海，但這也對箭上及地面的實時故障診斷系統提出了極高的要求。

“本次星艦第五飛，據說是由地面的發射任務總監在超重型返回飛行過程中，通過對飛行中的上千個數據的判決確定火箭正常，最終通過地面指令發送到箭上，決定其最終實施筷子回收。”季海波稱。

第二，對控制的要求更高，主要是對着陸的精度要求更高。季海波稱，着陸腿回收方式下，水平着陸精度在10m以內都可以保證成功，而筷子夾持回收方案精度至少要在1m以內。

“據SpaceX公司稱，超重型助推器回收精度可達0.5cm，這個着陸精度非常高。”季海波稱。

第三，“筷子”回收法對地面發射回收裝置的相關技術要求同樣很高，在夾持緩衝、火箭和夾持裝置的精確聯動技術等均是技術關鍵點。着陸腿回收，主要由火箭來實現，“筷子”回收方式則需要火箭和發射塔架系統共同且高時間同步聯動實現。

季海波同時提及，火箭在飛行臨近發射回收裝置過程中的姿態也非常關鍵。如果姿態不佳，發動機可能會對發射回收裝置產生燒蝕損壞，同樣會造成夾持回收失敗。着陸腿回收只需要在着陸瞬間滿足着陸位置、速度、姿態及角速度的多維高精度要求，但“筷子”這種新型回收方案，需要在火箭飛臨發射回收塔附近、短暫懸停直至最終夾持成功整個時間段內，都需要滿足位置、速度、姿態及角速度的多維高精度要求。且需要發射塔架系統的筷子裝置高時間同步性地去實現夾持功能。

據《環球時報》報道，“超級重型”火箭在降落過程中先是點燃9臺“猛禽”發動機，其中6臺在距離地面約800米時熄火關閉，剩餘3臺保持火箭垂直緩降狀態。當火箭下降到約65米高度時，關閉其中2臺發動機，保持緩慢下降狀態。最後等待機械臂水平處在“超級重型”火箭約2/3的箭體位置時，火箭轉入懸停，機械臂隨即靠攏並將其捕獲。隨後機械臂將“超級重型”火箭放置到發射架上，以確保安全和穩定。

劉百奇對界面新聞記者稱，國內可能會跟進這種技術研究，但是直接進入到工程型號研製，還需要論證。

目前，國內主要在學習獵鷹9號的回收方式，即兩種垂直回收方式，包括返回發射場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，對火箭姿態控制等要求更高。

獵鷹9號是SpaceX研製的可回收式中型運載火箭，於2010年6月4日完成首次發射，2015年12月21日首次完成回收。截至目前，獵鷹9號一級助推器成功實現超過300次回收。

季海波透露，也有公司在考慮“筷子”這種回收方案，客觀來說，這種方案優勢非常明顯，但對成功的要求更高、技術難度更大。

“任何一個技術都有適用的條件，不會適用所有的火箭。”劉百奇認爲。

在季海波看來，“筷子”回收方案沒有無法突破的技術難點，中國飛行器制導控制水平完全能夠達到這個要求，主要需要一定的資金和負責任的魄力去完成。馬斯克的快速迭代能力除了技術方案的自信，更重要的是充裕經費的結果。

他認爲，星艦這次發射全面圓滿成功，會極大降低進入太空的成本。理論上如果可以無限次重複使用的話，除去燃料成本外，其他成本可以接近0。

“據稱星艦未來要將成本控制在幾百萬美元以內，這樣，火箭發射單位成本可以降低到每公斤100美元以內，這絕對是顛覆性的。”季海波稱，星艦第五飛的完美表現在航天領域具有里程碑的意義，絕對會極大促進整個航天產業的發展，大航天時代越來越近了。

星艦是迄今全球體積最大、推力最強的運載火箭，總高度約120米，直徑約9米，火箭由兩部分組成，分別是一級助推器“超重型推進器”(Superheavy)和二級飛船“星艦”(Starship)，該火箭的設計目標是將人和貨物送至地球軌道、月球乃至火星，能夠完全且快速重複使用火箭，將大幅減少將貨物或人員運送到地球軌道和深空的時間和成本。

在此前四次試驗中，SpaceX星艦每一次都相較於上一次有所進步。

2023年4月首次試飛時，火箭在第一、二級分離前爆炸。2023年11月第二次試飛時，火箭第一、二級成功分離，但隨後助推器和飛船先後爆炸。

今年3月第三次試飛時，星艦第一、二級成功分離，但助推器在嘗試着陸點火後意外解體，飛船再入大氣層時失聯。6月第四次試飛時，火箭第一、二級成功分離，並分別按計劃落入墨西哥灣和印度洋。

針對第四次試飛時星艦在重返大氣層時出現的隔熱瓦損壞問題，第五次發射時，該飛船重新修改了隔熱防護並增加了額外的隔熱瓦層數，給飛船提供更好的保護。

星艦對實現馬斯克的“火星計劃”以及NASA的阿爾忒彌斯載人航天項目而言來說至關重要。今年9月，馬斯克曾發文稱，計劃在下一個探測火星的發射窗口期進行星艦不載人探測火星任務。此次任務將驗證飛船完整着陸火星的可靠性。如果着陸順利，計劃四年內進行星艦的首次載人探測火星任務。