科技日?qǐng)?bào)記者 胡定坤
2020年12月30日，當(dāng)“星艦”（Starship）還在研究階段、距離發(fā)射還很遙遠(yuǎn)時(shí)，就有人在社交媒體上詢問SpaceX創(chuàng)始人馬斯克，星艦的超重型助推器是否會(huì)像“獵鷹9”火箭助推器一樣著陸。馬斯克回復(fù)說，我們將用發(fā)射塔機(jī)械臂抓住它。
當(dāng)時(shí)，不少人覺得這一想法過于“天馬行空”?！靶桥灐钡某匦椭破鞲叨燃s70米，直徑達(dá)到9米，用什么機(jī)械臂才能抓到這么個(gè)飛行中的大家伙？
現(xiàn)在，答案已經(jīng)揭曉。北京時(shí)間10月13日晚上8時(shí)25分，“星艦”火箭第五次試飛發(fā)射。約7分鐘后，其超重型助推器成功穿越大氣層、返回發(fā)射塔，被兩個(gè)機(jī)械臂牢牢夾住。星艦飛船則成功入軌并在印度洋再入濺落。SpaceX幾乎完美實(shí)現(xiàn)了馬斯克當(dāng)初的計(jì)劃。
可是，為何一定要夾住返回的助推器？讓它落到海里，或者效仿“獵鷹9”火箭落在著陸臺(tái)上，不是更簡(jiǎn)單嗎？
“萬向推力”發(fā)動(dòng)機(jī)精確懸停
在名為“Mechazilla”的巨大“星艦”發(fā)射塔上，有3個(gè)機(jī)械臂：一個(gè)是“快速斷開臂”，主要用于給“星艦”加注燃料并在發(fā)射前保持火箭穩(wěn)定；另外兩個(gè)則被用于捕捉火箭。這兩個(gè)機(jī)械臂長達(dá)36米，被馬斯克比作一雙“筷子”，它們被安裝在超重型絞車上，絞車由巨型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在發(fā)射塔上下移動(dòng)。
根據(jù)此次試飛的記錄，“星艦”助推器在著陸最后階段、距離地面約2000米時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速。這些發(fā)動(dòng)機(jī)具備“萬向推力”能力，即噴嘴可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)方向，以控制助推器姿態(tài)和飛行軌跡。待降落到一定高度后，外圍發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，中心位置的3臺(tái)繼續(xù)工作，使助推器進(jìn)一步減速并幾乎垂直落在兩根“筷子”中間。在距離地面約幾十米高度時(shí)，助推器在發(fā)射塔前垂直懸停。幾秒鐘內(nèi)，“筷子”微微移動(dòng)并牢牢抓住助推器柵格翼下方的銷釘，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。
事實(shí)上，與其將該過程稱為“筷子夾火箭”，不如叫作“把火箭停在筷子上”。其技術(shù)難度并不在于機(jī)械臂的靈巧或強(qiáng)大，而是在于如何將龐大的助推器精確懸停在兩根“筷子”之間，稍有偏差就會(huì)砸在“筷子”上。
就在此次試飛幾天前，SpaceX負(fù)責(zé)建造和飛行可靠性的副總裁比爾·格斯滕邁爾介紹，在今年6月“星艦”的第四次試飛中，其助推器在海面的著陸精度達(dá)到半厘米。據(jù)報(bào)道，“獵鷹9”火箭助推器的降落精度則為米級(jí)。
據(jù)專門刊發(fā)SpaceX新聞的“特斯拉空間”網(wǎng)站報(bào)道，“星艦”助推器著陸精度更高的一個(gè)很有趣的原因可能是，相比發(fā)動(dòng)機(jī)推力，“獵鷹9”助推器重量過輕，不容易控制，就像一個(gè)空箱子，輕輕一推就飛出很遠(yuǎn)，而“星艦”助推器則足夠重，反而可以控制得更精確。當(dāng)然，“星艦”更先進(jìn)的“萬向推力”發(fā)動(dòng)機(jī)也可能發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
航天工程技術(shù)上的突破
在“星艦”火箭研制之初，SpaceX就提出了“快速重復(fù)使用”的概念，即對(duì)助推器實(shí)現(xiàn)快速回收、加注和再發(fā)射。該公司曾提出在一天之內(nèi)，使用同一個(gè)助推器發(fā)射3次的目標(biāo)。而在2019年，馬斯克曾表示，一個(gè)“星艦”助推器一天可發(fā)射20次，也就是一個(gè)小時(shí)左右發(fā)射一次。
要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，使助推器落回發(fā)射塔，就地檢修、加注和再發(fā)射幾乎是唯一的選擇。即使是在發(fā)射塔附近的著陸臺(tái)降落，如此巨大的火箭助推器，必然需要更為龐大的起重機(jī)、運(yùn)輸車等設(shè)備進(jìn)行吊裝和運(yùn)輸，才能將其送到發(fā)射塔等待發(fā)射。這一過程耗時(shí)恐怕都要以小時(shí)計(jì)。降落在海里的打撈、清洗和運(yùn)輸則更為復(fù)雜。
那么，為何不能直接在發(fā)射臺(tái)地面上著陸，而是要采用看起來更復(fù)雜的“筷子夾火箭”模式？
答案就是呈細(xì)長圓柱狀的火箭助推器要在地面上著陸，必須安裝著陸支架，以防止助推器在著陸時(shí)因振動(dòng)而傾倒。但支架會(huì)增加火箭重量，消耗更多燃料，馬斯克曾解釋說，不用支架可以減少“星艦”重量和成本。
同樣關(guān)鍵的是，SpaceX現(xiàn)有技術(shù)、也就是“獵鷹9”助推器上的著陸支架是“一次性”的，每次著陸后都要檢修和翻新。據(jù)“特斯拉空間”報(bào)道，對(duì)“獵鷹9”來說，由于其以液氧煤油為燃料，兩次發(fā)射間需要徹底清洗發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)換一個(gè)著陸支架不會(huì)消耗額外時(shí)間?！靶桥灐眲t以液氧甲烷為燃料，簡(jiǎn)單維護(hù)即可再發(fā)射，更換支架會(huì)導(dǎo)致時(shí)間浪費(fèi)。
總之，即使是在世界范圍內(nèi)，“筷子夾火箭”也堪稱是一種航天工程技術(shù)上的突破。無論是對(duì)SpaceX，還是對(duì)馬斯克來說，他們都朝著理想又邁出了重要一步。試飛成功后，馬斯克在社交媒體上說：“如果未來30年人類文明保持相對(duì)穩(wěn)定，火星上將建成一座自給自足、擁有100萬人口的新城市。”
這又是一個(gè)“天馬行空”的想法，還是能夠成為現(xiàn)實(shí)，恐怕只能到時(shí)候才知道。
