星艦“筷子夾火箭” 有何顛覆？航天高管：箭體輕週期快成本低
當高71米的星艦超重型火箭第一級從天而降，飛到發射塔前時輕巧地由斜變直，緩緩降落，發射塔的機械臂也緩緩回收，最終成功“夾住”了這座龐然大物時，整個發射現場沸騰了，這個幾乎“不可能完成的任務”在SpaceX的星艦項目經過四次試飛（其中前三次都難言成功）後，終於圓滿實現。多家商業航天高管解讀
北京時間10月13日晚，SpaceX星艦的第五次試飛中，第一級“超級重型”助推器在發射臺完成“歷史性着陸”。馬斯克對此表示，“看起來棒極了！一些外部發動機噴嘴由於加熱和一些其他小問題而變形，但這些問題很容易解決，星艦的設計目標是在升空後一小時內實現火箭助推器的再次發射。”此後，星艦“本體”S30飛船也在印度洋上成功濺落。
對於本次星艦上演“筷子夾火箭”的意義，新京報貝殼財經記者採訪了星河動力董事長劉百奇、星際榮耀液體火箭總設計師季海波、航天馭星副總裁/總師曹夢、星河動力副總裁崔品、藍箭航天朱雀三號火箭型號副總師董鍇五名國內商業航天領域的專業人士，進行了解讀。在航天專家看來，第一級火箭在發射塔上回收的這一操作可以讓火箭箭體變輕，發射週期變短，大幅縮減商業航天的成本，是航天領域的重大突破，對我國商業航天的發展也具有借鑑意義。
星艦超重型火箭第一級正在回收至發射塔。 來源：SpaceX官方視頻截圖
“筷子夾火箭”相比垂直降落回收，優勢在哪？
新京報貝殼財經記者注意到，自馬斯克旗下的獵鷹系列火箭確立了“液體”“可回收”的技術路線後，包括SpaceX自己以及國內民營航天公司在進行相關火箭的發射、試驗時均爲垂直起降，即火箭回到地面。而這次的“筷子夾火箭”是首次火箭直接飛回發射臺上，這一新技術設計有什麼優勢呢？
對此，星河動力董事長劉百奇在接受貝殼財經記者採訪時以“輕”和“快”來形容箇中的奧妙，“輕是取消了着陸腿，減輕了火箭結構重量，提升了運載效率。快，是火箭直接回到了發射架上，直接開展檢測維修、加註和再次發射，可以連續快速發射。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。”
星河動力副總裁崔品進一步解釋道，以獵鷹9號爲代表的火箭自帶着陸腿增加了重量，而爲了安裝着陸腿需要加強箭體結構也會增加重量，這些重量是“死重量”，會消耗用於運輸任務載荷的推進劑，從而減少可運載的任務載荷。
“採用着陸腿方案着陸後，需要再次將火箭吊裝、拆除着陸腿、運輸到發射場並再次吊裝到星艦發射臺上，並進行再次和星艦的對接總裝。特別是星艦助推很大，吊裝運輸都不易。而這個流程在採用‘筷子夾持’回收方案後完全簡化了，從而可以極大提高再次重複使用發射的效率。”星際榮耀液體火箭總設計師季海波表示。
10月14日，馬斯克發文稱，星艦的最終設計目標是在升空後一小時內實現火箭助推器的再次發射，“助推器在約5分鐘內返回，因此剩餘時間都將用來重新裝載推進劑並將飛船放置在助推器頂部。”
想要學會“筷子夾火箭”，有哪些技術難點？
不過，要學會“筷子夾火箭”，技術上難點還有很多。
數據顯示，星艦的一子級超重助推（Spuer Heavey Booster）高71米，直徑9米，推進劑容量有3400噸，總推力達到7590噸。航天馭星副總裁、總師曹夢告訴貝殼財經記者，最難的地方就是對超重助推返回的控制精度，“一個是位置的控制精度，一個是姿態的控制精度，要求都非常高。它通過兩個很小的承力結構，把超重助推掛在了被馬斯克稱爲‘機械哥斯拉’的發射塔抱臂上，做到這一點非常困難。”
星艦超重型火箭第一級回收至發射塔“機械哥斯拉”後，俯視視角實拍圖。 來源：SpaceX官方視頻截圖
據瞭解，“超級重型”火箭在降落過程中先是要點燃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。這兩條捕獲機械臂長36米、高18米。
季海波對貝殼財經記者表示，相較於之前的垂直着陸腿回收，這種新型的回收方式的難點最主要體現在幾個方面：一是對成功率要求更高，由於星艦地面發射設施極其龐大且昂貴，如果在回收的最後階段出現失敗甚至於爆炸，會對這些發射設施造成損壞從而造成大的損失。即使是幾十次成功、一次失敗也將損失巨大。
二是對控制的要求要更高一些，主要是着陸的精度要求更高，着陸腿回收方式水平着陸精度在10m以內都可以保證成功，而“筷子夾持”回收方案顯然不行，至少要在1m以內。據SpaceX公司說本次可達0.5cm的精度，這個着陸精度是非常高的。三是地面發射回收裝置的相關技術要求很高，在夾持緩衝、火箭和夾持裝置的精確聯動技術等都是難點和突破點。而夾持過程中的短暫懸停控制則是成熟技術。
“此外，火箭在飛行臨近發射回收裝置過程中的姿態也非常關鍵。如果姿態不好，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、姿態及角速度的高精度要求，但筷子這種新型回收方案，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、姿態及角速度的高精度要求。”季海波說。
“‘筷子夾火箭’的技術難點一是需要非常高的控制精度，二是機器臂不僅需要很高的強度，同時具備緩衝減載減振能力，防止回收中火箭受損。”劉百奇補充道。
使用星艦，發射成本能夠降到多低？
之前，星艦在第四次試飛中僅僅回收了星艦本體（即二級星艦飛船），而這次則回收了一級助推火箭，這將進一步降低發射成本。
“一級火箭回收對發射成本的降低在獵鷹9號上已經得到了充分的證明”，崔品告訴記者，“已經有多枚獵鷹火箭一級使用超過20次，每公斤載荷發射成本已經降到5000美元以下。而二級重複使用會進一步降低發射成本，另外星艦的運載能力大幅度提升（運載能力大約是獵鷹的4～5倍），也會大幅度降低發射成本。”
曹夢告訴記者，星艦的此次發射成功，對人類進入太空的成本是一個數量級的降低，而運載能力也是個數量級的提升，“以前人類進入空間的能力，以近地軌道爲例，常態化運載能力大概就是20噸級，而星艦直接給提高到了200噸級。對於進入空間載荷單位質量的發射成本，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，然後星艦進一步降低到200至400美元/公斤。”
“全重複使用和僅一子級重複使用來說相比，發生成本下限會極大降低。理論上如果可以無限次重複使用的話成本可以接近0（燃料費用佔比極低）。據說星艦未來要將成本控制在幾百萬美元以內，這樣的話，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。”星際榮耀液體火箭總設計師季海波說。
在劉百奇看來，目前因爲沒有商業運營，還不好判斷什麼時間或者說重複使用多少次能降低到SpaceX所宣稱的成本。但有一點需要理性認識，星艦成本的下降，一方面是完全重複使用，還有火箭規模巨大帶來的單位發射價格下降，以及發動機、箭體結構的低成本製造，是多方面因素帶來的。
星艦的成功顛覆了哪些傳統認識，對我國有哪些借鑑意義？
從技術上看，星艦的成功也顛覆了航天的多項傳統認識，“比如鋁合金是航天的最優材料，火箭不能直接返回發射臺（炸燬發射臺的風險太大），幾十臺發動機一起點火的風險太大（難以全部點着）。這次飛行除了一級以全新的方式成功回收外，二級也完成了精準的回收着陸動作（未成功回收），並且全程直播，這種大空間範圍，大速度範圍的通信都是前所未有的，傳統航天器返回過程中的“黑障”似乎也不再存在。總之，星艦的第五次飛行總體來說是航天領域的重大突破，爲宇宙空間往返提供了一種全新的方式樣板。”崔品告訴記者。
曹夢認爲，進入空間的成本低且能力強了以後，對人類的生活方式以及整個航天產業發展會帶來質的飛躍，尤其是在後續的衛星發射、太空旅遊以及天地往返運輸中，“以後也許我們所說的運載火箭，它不再是一個傳統意義上大家理解的只能向太空中送人、送貨、送衛星的工具，而是真正的變成能夠自由實現天地往返的交通工具，既可以往軌道上運東西，也可以實現地球上任意兩點之間，一小時內抵達。”
“後續星艦系統一子級、二子級將實現全部複用，馬斯克的核心目標就是實現運載火箭發射的航班化，通過對回收後的運載火箭快速檢修、集成、加註、裝載，然後用很短的時間去執行下一次發射，跟飛機一樣，將大幅降低人類進入空間的成本並提高效率。”曹夢說。
藍箭航天朱雀三號火箭型號副總師董鍇表示，從SpaceX液氧甲烷發動機研製到2019年“星蟲”首跳，再到之後不鏽鋼貯箱試驗、SN系列飛行試驗、BN系列靜態點火、IFT飛行試驗，SpaceX開放度很高，藍箭航天始終關注每一步進展，內部有專門的小組對此展開專門的分析，“針對這次飛行，首先是整體過程的姿態變化及最後的調整；其次是一子級飛行完成後，二子級在海上的降落過程也是我們關注的重點；另外，我們還關注了上次第四次飛行中擋板的破壞情況，以及這次飛行所加強的部分。這些對我們後續的設計和研發方案選擇都是有借鑑意義的。”
值得注意的是，從首次發射星艦到本次成功上演“筷子夾火箭”回收，SpaceX的星艦項目一共進行了五次試驗，其中前三次試驗的結果都難言理想，火箭或在升空時爆炸，或在降落時解體，而馬斯克對此的態度則頗爲瀟灑，在接受採訪時直言，“如果發射失敗了就當放煙花吧”。
在曹夢看來，SpaceX的研製模式對我國商業航天發展極其具有借鑑意義，“將成本及製造加工週期作爲運載火箭總體設計的頂層約束，通過快速實現飛行驗證對運載火箭這個複雜系統 ‘探底’，然後針對暴露出的問題再快速進行設計迭代。這種研製模式相較於傳統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製模式（全世界都是一樣的），其實節約了成本與寶貴的時間。”
他告訴貝殼財經記者，最重要的是即便按照傳統的研製模式，在地面上進行了充分的論證和驗證，但由於飛行環境及過程仍然有太多細節地面根本無法模擬，所以導致了航天器進入空間後仍然避免不了會出各種各樣的問題，“所以我覺得SpaceX這種‘以飛代試、快速迭代’的研製理念還是非常先進的，我們國家很多民營公司也在學習並嘗試。”
“目前，針對整個行業的快速發射需求，國家已經有相關機構在牽頭組織梳理相關的堵點和難點。航天發射是一項非常複雜的系統工程，涉及許多方面的問題，包括行業監管、任務組織和產業鏈上下游資源配置等。所以，可能還需要一些時間。”曹夢說。
“本次星艦發射有點像大航海時代，當麥哲倫完成環球航行，人們終於確信地球是圓的。上個世紀，美國的阿波羅登月計劃雖然有些爭議，但基本上被大家視爲一項重大成果，這次飛行點燃了人們對於整個航天行業發展的熱情和期待，整個產業發展將獲得一個巨大的推動力。”董鍇表示，“當前，國內商業航天與星艦的差距是非常明顯的，我們還不敢說與星艦進行直接比較，還是那句話‘趕上並超越世界先進水平’，先趕上。目前短期內目標，是努力趕上獵鷹九號穩定發射和回收的水平。”
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新京報貝殼財經記者 羅亦丹
編輯 嶽彩周
校對 陳荻雁