2020年12月30日，當(dāng)“星艦”還在研究階段、距離發(fā)射還很遙遠(yuǎn)時，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，不少人覺得這一想法“天馬行空”。“星艦”的超重型助推器高度約70米，直徑達(dá)到9米，用什么機(jī)械臂才能抓到這么個飛行中的大家伙？

現(xiàn)在，答案已經(jīng)揭曉。北京時間10月13日晚上8時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，被兩個機(jī)械臂（被馬斯克比作“筷子”）牢牢夾住，幾乎完美實現(xiàn)了馬斯克當(dāng)初的計劃。

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”火箭落在著陸臺上，不是更簡單嗎？

“萬向推力”發(fā)動機(jī)精確懸停

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，同時啟動13臺發(fā)動機(jī)制動減速。這些發(fā)動機(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)動機(jī)關(guān)閉，中心位置的3臺繼續(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，助推器在發(fā)射塔前垂直懸停。幾秒鐘內(nèi)，“筷子”微微移動并牢牢抓住助推器柵格翼下方的銷釘，發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。

該過程技術(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，稍有偏差就會砸在“筷子”上。

據(jù)報道，“星艦”助推器著陸精度更高的一個原因可能是其助推器足夠重，可以控制得更精確。當(dāng)然，先進(jìn)的“萬向推力”發(fā)動機(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2019年，馬斯克曾表示，一個“星艦”助推器一天可發(fā)射20次，也就是一個小時左右發(fā)射一次。

要實現(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。這一過程耗時恐怕都要以小時計。而降落在海里的打撈、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因振動而傾倒。但支架會增加火箭重量，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，“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。對“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)動機(jī)，同時段換一個著陸支架不會消耗額外時間。而“星艦”則以液氧甲烷為燃料，簡單維護(hù)即可再發(fā)射，若更換支架會導(dǎo)致時間浪費。

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SpaceX，還是對馬斯克來說，他們都朝著理想又邁出了重要一步。

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