老馬吹過的牛，又一次實(shí)現(xiàn)了。

01

SpaceX第一次用“筷子”夾住了火箭

北京時間2024年10月13日晚8時30分許，SpaceX發(fā)射了“星艦”火箭，這是其第五次試飛。此次試飛中，發(fā)射塔架上的機(jī)械臂（即“筷子”）成功捕獲了一級超重型火箭助推器，完成了回收任務(wù)。

在星艦發(fā)射升空2分多鐘后，一級超重型火箭與星艦分離，開始返回。距離星艦發(fā)射6分多鐘后，第一級成功被發(fā)射塔架上的“筷子”機(jī)械臂夾住。這是SpaceX第一次嘗試回收星艦的第一級。

從直播看，助推器成功二次點(diǎn)火反推，成功進(jìn)入返回軌道發(fā)射塔被超級重型助推器的捕獲，這意味著曾經(jīng)被眾多SpaceX吐槽的方案一次性獲得了成功。這個“筷子塔”方案是在4年前被提出來的，本來只是用來區(qū)別使用支撐腿回收。

此前“星艦”已經(jīng)完成了四次試飛。其中在6月6日的第四次試飛中，它基本上實(shí)現(xiàn)了所有預(yù)設(shè)項(xiàng)目的測試：“超級重型”火箭以垂直姿態(tài)在預(yù)定海面（墨西哥灣）懸停濺落，“星艦”飛船成功重返大氣層，以垂直姿態(tài)在預(yù)定海面（印度洋）濺落成功。得益于遍布地球軌道的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)直播，人類還頭一回親眼目睹飛船重回地球時被等離子體環(huán)繞的景象。

02

從不被看好到打臉鍵盤俠

用“筷子”夾住火箭，即便是在SpaceX已經(jīng)成功實(shí)踐的今天，都讓人覺得有些腦洞大開的意味。

事實(shí)上，當(dāng)初SpaceX內(nèi)部對于該方案的反對的聲音也很大，不少工程師認(rèn)為如果助推器返回發(fā)射塔時炸毀，那么很長一段時間都無法發(fā)射下一枚火箭，沿用獵鷹9號那樣給助推器裝幾個腿才是正兒八經(jīng)的事情。

而在第五次試飛中，最大的挑戰(zhàn)來自“超級重型”火箭的全新回收方式。在最初的兩次試飛中，“星艦”均因?yàn)槭Э囟鴨幼詺аb置；第三次試飛時，“超級重型”火箭完成返回點(diǎn)火，但著陸點(diǎn)火時姿態(tài)失控，沒能完整落海；一直到第四次試飛才首次實(shí)現(xiàn)了在預(yù)定地點(diǎn)的成功減速、垂直下降、“海面軟著陸”的全過程。SpaceX副總裁比爾·格爾斯騰邁爾透露，“超級重型”火箭在第四次海面軟著陸的精度為0.5厘米，這為下一步的發(fā)射塔原位捕獲火箭技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

根據(jù)SpaceX的計(jì)劃，第五次試飛將利用原位發(fā)射與回收技術(shù)，測試發(fā)射塔架機(jī)械臂捕獲火箭的新回收模式。美國“太空”網(wǎng)站介紹稱，SpaceX公布的演示視頻顯示，該火箭完成發(fā)射任務(wù)后將非常精準(zhǔn)地返回發(fā)射地點(diǎn)，并逐步減速和降低高度，最后由發(fā)射塔架的機(jī)械臂將懸停狀態(tài)的火箭在半空中抓住。

用于捕獲助推器的機(jī)械臂名為“Mechazilla”，具有可開合和旋轉(zhuǎn)的功能，其官方名稱直譯為“機(jī)械哥斯拉”，充滿科幻色彩。這對機(jī)械臂均長36米、高18米，重量達(dá)到了700多噸，為成功捕獲助推器提供了強(qiáng)大的支撐。

該方案落地除當(dāng)初技術(shù)方面的諸多不確定性外，高昂的研發(fā)和試錯成本對于一家商業(yè)火箭企業(yè)而言也是巨大的考驗(yàn)。

隨著Mechazilla塔設(shè)計(jì)和建造過程的深入，其技術(shù)難度逐漸顯現(xiàn)。火箭回收本身就是一個極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，而Mechazilla塔需要確保在火箭返回時能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地夾住火箭，這要求極高的精度和可靠性。市場開始對這一技術(shù)的可行性產(chǎn)生質(zhì)疑，并持觀望態(tài)度。

SpaceX在推進(jìn)Mechazilla塔等多個項(xiàng)目時面臨著巨大的資金壓力。雖然公司通過商業(yè)發(fā)射、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)獲得了一定的收入，但高昂的研發(fā)和建造成本仍然是一個不容忽視的問題。市場擔(dān)心SpaceX是否能夠持續(xù)投入足夠的資金來支持Mechazilla塔等項(xiàng)目的順利推進(jìn)，好在最終取得了成功。

現(xiàn)在來看，SpaceX的Mechazilla塔技術(shù)是一種高度復(fù)雜的發(fā)射和回收系統(tǒng)，旨在提高火箭及其助推器的回收效率和安全性。Mechazilla塔高約145米（約440英尺），由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并配備了三個主要的機(jī)械臂。

Mechazilla塔的核心功能是捕捉、提升、堆疊和燃料注入。具體來說，它包括一個快速斷開臂，主要用于在發(fā)射前給“星艦”加注燃料并保持火箭穩(wěn)定。此外，還有兩個巨大的機(jī)械臂，這些機(jī)械臂可以夾住返回地球的火箭助推器，并將其安全地引導(dǎo)到發(fā)射塔上。

Mechazilla塔的設(shè)計(jì)靈感來源于科幻作品中的巨型怪獸哥斯拉（Godzilla），因此得名。它的液壓驅(qū)動機(jī)械臂能夠在半空中夾住返回的火箭助推器，類似于使用“筷子”夾住火箭。這種設(shè)計(jì)不僅提高了火箭回收的成功率，還大大降低了回收過程中的風(fēng)險和成本。

在實(shí)際操作中，Mechazilla塔已經(jīng)在多次試飛中成功捕捉并回收了“星艦”飛船和超重型助推器。例如，在2024年10月的第五次試飛中，SpaceX首次嘗試并成功實(shí)現(xiàn)了火箭助推器的著陸回收，這一操作被稱為“筷子夾火箭”。

在火箭著陸的最后階段，Mechazilla塔的機(jī)械臂需要精確控制，以確保火箭能夠準(zhǔn)確懸停在兩根“筷子”之間。這一過程中，任何微小的偏差都可能導(dǎo)致回收失敗。為了應(yīng)對火箭著陸時的快速變化，Mechazilla塔的機(jī)械臂必須具備快速響應(yīng)的能力，以便在火箭著陸的瞬間迅速夾住火箭。

此次回收成功標(biāo)志著SpaceX向使“星艦”成為完全可重復(fù)使用的火箭系統(tǒng)目標(biāo)邁出了重要一步。相比之前只能部分回收的獵鷹9號火箭，“星艦”的兩個主要部分——星艦飛船本身和超重型助推器——都將實(shí)現(xiàn)完全回收。

當(dāng)然，最最關(guān)鍵的說白了還是成本，無論“筷子夾火箭”技術(shù)多么難，控制多么精準(zhǔn)，作為SpaceX可復(fù)用火箭落地的一環(huán)，其核心依舊是成本！

03

有望降低90％的發(fā)射成本

傳統(tǒng)的火箭發(fā)射是一次性的，每次發(fā)射都需要制造全新的火箭，這導(dǎo)致了高昂的成本。而Mechazilla塔技術(shù)通過機(jī)械臂回收火箭助推器，使得火箭可以重復(fù)使用，從而大幅降低了發(fā)射成本。具體而言，獵鷹9號火箭實(shí)現(xiàn)一級火箭回收后，其發(fā)射成本從每公斤1萬-2萬美元驟減至約每公斤2000美元。

之所以能夠如此大幅度地降低成本，在于Mechazilla塔技術(shù)很好地提高了資源利用率。

傳統(tǒng)的火箭發(fā)射中，燃料費(fèi)用相對較低，但火箭本身的價值卻很高。通過 Mechazilla 塔技術(shù)，火箭助推器可以在著陸后進(jìn)行檢修和翻新，再次用于未來的發(fā)射任務(wù)，這樣不僅節(jié)約了制造新火箭的成本，還提高了資源的利用效率。

傳統(tǒng)的火箭發(fā)射方式類似于“坐一次性飛機(jī)”，每次發(fā)射都會造成大量資源的浪費(fèi)。而 Mechazilla 塔技術(shù)通過回收和再利用火箭助推器，減少了資源的浪費(fèi)，使得太空探索更加經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)。

隨著“筷子夾火箭”技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，SpaceX將能夠更高效地回收火箭的各個部分，包括助推器、整流罩等。這將進(jìn)一步提高火箭的可回收比例，減少新造火箭的需求，從而降低整體發(fā)射成本。同時，可回收火箭的重復(fù)使用意味著需要更少的燃料和推進(jìn)劑來支持新的發(fā)射任務(wù)。這不僅減少了直接的材料成本，還減少了與燃料生產(chǎn)和運(yùn)輸相關(guān)的間接成本。

一旦SpaceX將該技術(shù)落地到星艦上，其成本優(yōu)勢會更為明顯。對此馬斯克曾表示過，單次發(fā)射成本僅約200萬美元，這幾乎是目前獵鷹9號發(fā)射成本的1/10不到。對應(yīng)星艦100噸的低軌道運(yùn)載能力，可以將每公斤有效載荷發(fā)射入軌成本降低到驚人的10美元！

而除降低發(fā)射設(shè)備外，縮短發(fā)射周期也是SpaceX Mechazilla塔技術(shù)的一大優(yōu)勢。傳統(tǒng)上，火箭發(fā)射后需要較長的時間進(jìn)行維護(hù)和準(zhǔn)備才能再次發(fā)射。而Mechazilla塔則可以實(shí)現(xiàn)火箭的快速回收和再發(fā)射，從而縮短發(fā)射周期。

04

中美可重復(fù)火箭技術(shù)對比

在大國航天航空戰(zhàn)略中，可重復(fù)火箭技術(shù)絕對是不可或缺的一環(huán)。

除降低火箭發(fā)射成本，推動商業(yè)航天的發(fā)展外，可重復(fù)使用火箭技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人類大規(guī)模低成本進(jìn)出空間的重要途徑。它不僅能夠支持當(dāng)前的太空任務(wù)，還能為未來的深空探索和太空資源開發(fā)奠定基礎(chǔ)，從月球基地到登錄火星，可復(fù)用火箭可謂人類追逐星辰大海的希望。

目前全球可重復(fù)使用火箭技術(shù)格局呈現(xiàn)出多國競爭和快速發(fā)展的態(tài)勢。美國在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，特別是SpaceX公司通過獵鷹9號火箭實(shí)現(xiàn)了多次成功的一級火箭回收和重復(fù)使用，顯著降低了發(fā)射成本，并推動了商業(yè)航天市場的發(fā)展。

獵鷹9號火箭自2015年首次成功回收一級火箭以來，已經(jīng)多次實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，這不僅證明了其技術(shù)的可行性，還大幅降低了發(fā)射費(fèi)用。

SpaceX公司之外，美國藍(lán)色起源（Blue Origin）公司的“新格倫”火箭采用了多臺液氧甲烷發(fā)動機(jī)并聯(lián)的設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)載能力和更好的重復(fù)使用性。該火箭的重復(fù)使用一子級同樣采用垂直起降方案。目前“新格倫”火箭的全尺寸試驗(yàn)箭已經(jīng)運(yùn)抵發(fā)射臺，開展地面驗(yàn)證活動，計(jì)劃在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)首飛。

除了以上兩家外，火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）的“中子號”（Neutron）火箭采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和重復(fù)使用一子級與整流罩一體化設(shè)計(jì)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)垂直起降回收。相對論空間公司（Relativity Space）的“人族-R”（Terran-R）火箭也采用了可重復(fù)使用技術(shù)，但具體方案和技術(shù)細(xì)節(jié)尚未完全公布。

中國近年來在可重復(fù)火箭技術(shù)方面也取得了顯著進(jìn)展。多家中國企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正致力于可重復(fù)火箭的研發(fā)，包括藍(lán)箭航天、深藍(lán)航天等。

其中，藍(lán)箭航天的朱雀三號VTVL-1可重復(fù)使用火箭已經(jīng)成功完成了十公里級垂直起降返回飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著中國商業(yè)航天在可重復(fù)使用火箭技術(shù)上取得了重大突破。此外，深藍(lán)航天等初創(chuàng)公司也在積極推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并計(jì)劃在未來幾年內(nèi)進(jìn)行軌道發(fā)射。

不過我國在可重復(fù)火箭技術(shù)路徑上尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但已有多種技術(shù)路徑在并行研究和測試。例如，采用“降落傘+氣囊”的方式回收、給火箭助推器裝上可控翼傘實(shí)現(xiàn)滑翔降落以及類似SpaceX的垂直回收方式等。這些技術(shù)路徑各有特點(diǎn)，但都需要進(jìn)一步的技術(shù)驗(yàn)證和優(yōu)化。

相對于回收技術(shù)方面的不斷嘗試，重復(fù)使用火箭在技術(shù)發(fā)展大方向上倒是一致的。

重復(fù)使用運(yùn)載火箭遵循先一級重復(fù)使用后完全重復(fù)使用、多種回收方式并存但更傾向于動力垂直回收、火箭研制理念持續(xù)革新的發(fā)展途徑。當(dāng)前，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)限制使得完全重復(fù)使用火箭尚不可行，因此業(yè)界采取了先實(shí)現(xiàn)一級火箭重復(fù)使用的策略。

一級火箭重復(fù)使用不僅能有效降低發(fā)射成本，而且為末級火箭的回收提供了技術(shù)積累。動力垂直回收因其高著陸精度和對現(xiàn)有設(shè)計(jì)改動小，成為中大型火箭回收的主流方式。火箭設(shè)計(jì)也在經(jīng)歷革新，以適應(yīng)全任務(wù)剖面和全生命周期的需求。

這包括在上升和返回段承受的復(fù)雜載荷工況、氣動控制、熱防護(hù),以及多次使用的檢測維護(hù)和疲勞載荷等因素。火箭設(shè)計(jì)需在滿足性能的同時，兼顧可回收性和可維護(hù)性，特別是在大氣層內(nèi)飛行時，要優(yōu)化氣動外形和熱防護(hù)系統(tǒng)，以應(yīng)對更大的法向載荷和氣動熱效應(yīng)。

而回到中美兩國可復(fù)用火箭技術(shù)上，美國憑借早期的技術(shù)積累和持續(xù)的研發(fā)投入，已經(jīng)形成了較為完善的可重復(fù)使用火箭生態(tài)系統(tǒng)。而中國雖然起步較晚，但通過快速的技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，正在逐步縮小這一差距，并有望在未來實(shí)現(xiàn)重大突破。