2024-10-13 17:52·錢江晚報
北京時間10月13日晚上20時30分許，人類航天史上首次“筷子夾火箭”的大戲終於上演了。
有史以來最大的運載火箭——太空探索技術公司SpaceX“星艦”的第五次測試飛行，從美國得克薩斯州點火升空。
據環球網報道，直播畫麵顯示，火箭第一級——超重助推器，在發射後約7分鍾時，在一座高約145米的塔架完成“曆史性著陸”。塔架上的一對巨型機械臂，如同筷子夾雞肉一般，“夾住”將近300噸重的箭體。
這恐怕是航天史上最驚險的動作之一，稍有不慎就會放一個“大煙花”。人類首次使用如此大膽的方式回收航天器，成為星艦第五飛的最大看點。
馬斯克2019年分享的藝術渲染圖：“星艦”降落於月球基地。圖源：IC PHOTO
在科幻巨作《三體》中，當今人類的化學能火箭飛向深空被形容為“劃著獨木舟橫跨大洋”，是“癡人說夢”。伊隆.馬斯克就像劃著獨木舟橫跨大洋的“癡人”。他要把化學能火箭的潛力壓榨到極致，想把人類曆史快進到移民火星這一集。
在他的火星移民藍圖中，“星艦”將擁有今天人們難以想象的效率——巨大的運載能力、驚人的數量和發射頻次，以及極低的價格，以實現“100萬人去火星”。這仰賴於三大關鍵技術的“王炸組合”——
箭體材料，用的是你手裏保溫杯的不鏽鋼；燒的燃料，是你家煤氣灶每天在燒的甲烷；而回收火箭、重複使用，就像你用筷子夾菜。
低成本、大規模進入太空，是人類一直孜孜以求的夢想。如此“接地氣”的航天器，真的能為我們叩開通向月球和火星的“星際之門”嗎？
王炸之一：“筷子”回收
“垂直反推返回、塔架機械臂回收，是星艦係統未來實現快速回收、快速發射的關鍵一步。”浙江大學航空航天學院王慧泉教授告訴潮新聞記者。
用來抓住“星艦”的塔架被叫做Mechazilla，直譯過來為“機械哥斯拉”。兩個機械臂均為長36米、高18米，承重達700多噸。
圖源：@北京科協
2021年8月，馬斯克發推稱：“SpaceX將嚐試用機器人筷子捕捉史上最大的飛行物體……就像用筷子夾小塊兒壽司。”同年10月28日，Mechazilla 進行了首次測試。
與采用四條折疊腿直接著陸的獵鷹9號火箭不同，SpaceX從一開始就沒有給超重助推器和星艦飛船設計著陸支架。
據王慧泉解析，“筷子回收”主要有兩方麵好處——
首先，回收時在空中就讓火箭掛在機械臂上，然後直接把一二級火箭堆疊在一起。馬上就能加注燃料、簡單檢修，然後就能直接再次發射，極大加快了重複使用的速度。
而獵鷹9號火箭就麻煩多了，著陸後要運回工廠翻新、更換、檢測眾多零部件。此外，“星艦”的甲烷發動機在燃燒後幾乎無殘留，而獵鷹9號的煤油發動機卻有大量結焦、積碳需要清洗，必須返廠。
其次，省去了著陸支架，火箭有效載荷大大增加，就能裝更多人、貨物和燃料。
“不過，要想實現塔架抓取回收，還麵臨著三大‘攔路虎’。”王慧泉提醒道。
第一，準。塔架回收需要極高的精度，從視頻看，連箭體上的承力點都要對齊機械臂，差一點就可能功虧一簣，甚至碰撞爆炸。
第二，強。需要箭體承力點有足夠強度。萬一“筷子”把火箭“夾”壞了，就沒法重複使用了。
第三，穩。兩根“筷子”必須有強大的緩衝減震能力，能輕柔地把箭體接住，最大可能地減少衝擊力。
圖源：中國航天科技集團公司
事實上，中國航天的“腦洞”也不遑多讓。在2022年2月17日於北京舉行的近地軌道載人航天發展展望與合作國際研討會上，航天科技一院展示了新一代載人運載火箭芯一級回收方案，采用繩網吊掛回收裝置令人耳目一新。通過數條活動的係繩，在火箭下降時把火箭吊掛住，實現軟著陸。這一方案的容錯度明顯比“筷子回收”更大，不過能否快速複用尚有待觀察。
“筷子夾火箭”和“繩子掛火箭”，究竟哪個逆天腦洞能幫助人類飛向“星辰大海”，我們拭目以待。
2021年12月，得州博卡奇卡的“星艦”原型機。圖源：IC PHOTO
王炸之二：不鏽鋼造火箭
“不鏽鋼最大的缺點就一個字：重。但優點有很多，強度高，耐高溫耐低溫，而且極其便宜。”國際宇航聯空間運輸委員會副主席楊宇光對記者說。
據測算，再入大氣層時星艦飛船表麵有20%暴露在1470℃高溫下，還有20%最高溫是1300多℃，其餘表麵最高溫低於1176℃，堪稱“鬼門關”。304不鏽鋼熔點通常在1400℃上下，比目前任何主流箭體材料都要耐高溫，“星艦”還有1.5萬多塊隔熱瓦，能經受1648℃高溫，而不鏽鋼也可以扛一扛。馬斯克本來想在“星艦飛船”用碳纖維，但是碳纖維抗高溫不行，就大膽改成不鏽鋼。
太空裏更多是極寒環境，不鏽鋼即使在零下160℃也能保持延展性和強度，在平均溫度零下63℃的火星表麵遊刃有餘。更神奇的是，不鏽鋼在低溫下強度會提高50%，甚至高於鋁鋰合金，添加鉻鎳的不鏽鋼還會增加12-18%的延展性，比碳纖維還堅固。
然後就是廉價，不鏽鋼簡直太便宜了。家裏的高壓鍋、保溫杯、櫥櫃……生活中隨處可見。
（我國正在研發中的不鏽鋼火箭朱雀三號。視頻來源：藍箭航天）
在馬斯克最關心的價格方麵，他算過一筆賬——用碳纖維造火箭，每公斤成本超135美元，同時碳纖維有35%的損耗，因此每公斤要花200美元；鋁合金也要每公斤三四十美元；用301不鏽鋼造同樣的火箭，每公斤才3美元！
這還沒完，碳纖維製造工藝複雜，技術人員時薪250美元，而焊接不鏽鋼板的焊工時薪不到50美元。馬斯克曾說，NASA的SLS重型火箭花費的錢，夠“星艦”炸100次。
“太重的確是個很大缺陷，因為航空航天材料都追求一個‘輕’字，為減重每一克而奮鬥。”楊宇光介紹，“箭體太重，推力又不變，能帶的燃料和貨物就少了。”
因此，想要采用不鏽鋼造箭體，必須有前提條件。“發動機必須夠優秀。‘星艦’的‘猛禽’全流量分級燃燒循環液氧甲烷發動機，做得個子小、推力大、比衝又高，彌補了不鏽鋼在重量上帶來的損失。”楊宇光說。
另外一點，如果火箭做得特別大，也可以部分彌補不鏽鋼太重的缺點。換言之，就主打一個“大力出奇跡”，這也正是“星艦”的設計思路。
不過楊宇光強調，我們不能單純以為“星艦”就是“傻大黑粗”，其實“星艦”的不鏽鋼箭體非常有技術含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐壓，背後的材料技術和加工水平都非常高”。
2023年4月20日“星艦”首次發射雖然失敗了，但在天上翻滾了好久才解體，恰恰說明其不鏽鋼箭體的強度相當大。
而采用“筷子回收”方式的承力點在中部，對箭體強度要求很高，不鏽鋼材料同樣能發揮優勢。
2022年12月14日，朱雀二號遙一火箭在酒泉發射瞬間。圖源：央視新聞
王炸之三：燒甲烷
2023年7月12日，藍箭航天的朱雀二號火箭搶在“星艦”前麵，成為全球第一枚成功發射入軌的液氧甲烷火箭。而“星艦”的“猛禽”則是世界上技術最先進、推力最大的液氧甲烷發動機。
根據燃料不同，火箭可分為固體火箭和液體火箭。航天發射主流是液體火箭，當前主要是液氫液氧、液氧煤油、液氧甲烷三種。在《中國航天》執行主編張京男眼裏，液氧甲烷是當前火箭發動機的最終狀態。
為什麽是甲烷（CH4）？因為太香了。“液氧甲烷是目前可複用火箭最理想的動力，沒有之一，而火箭的複用代表著人類航天未來發展方向。”王慧泉扳著手指給記者一條條分析。
第一，液氧甲烷推進效率不錯，理論比衝達390秒，僅次於氫氧動力。簡單科普一下，比衝指1公斤燃料推動1公斤重量能維持的時間，是火箭發動機的頭號性能指標。
第二，燃燒結焦少，發射後管子更幹淨，修複比煤油發動機省事省錢多了，使得回收後在塔架上加油、檢修後直接再次發射成為可能。這一點最適合大規模、高頻次回收重複使用。
第三，能量密度低於液氫但高於煤油，發動機噴口直徑小，結合“泵後擺”技術能大幅減小發動機體積和重量，能在箭體裏塞下更多發動機，大大增強火箭推力。
第四，極其便宜，甲烷遍地都是，可以用你家天天在燒的天然氣提純獲取，每公斤成本才5塊錢，是液氫的1/100！也不到煤油的一半，堪稱“白菜價”。
此外，甲烷還有儲存方便、所需氧化劑少、可在外星獲取、無毒無汙染等優點。
3月14日，星艦三飛。圖源：IC PHOTO
藍箭航天首席執行官張昌武認為，選擇液氧甲烷是曆史的必然。“為了適應未來星際旅行，需要更經濟、更適合回收的推進劑，大家不約而同地選擇了甲烷。”
據航天科技11所大推力發動機總體研究室副主任張曉光透露，我國在2000年啟動研製甲烷發動機，200噸液氧甲烷發動機將用於中國重型火箭的芯一級和二級上，綜合性能指標與“猛禽”相當。
太空旅行：普通人還要等
在SpaceX的“星艦”藍圖裏，未來將完全回收一二級，同時每台發動機理論上可複用50次。最終目標是發射成本隻剩下燃料、測控維修等雜費，將每公斤載荷發射成本降到10美元的極低水平，讓普通人都能圓太空夢。目前我們距離這一步還有多遠？
楊宇光坦言：前景不明朗。他舉了航天飛機的例子，來證明“理想豐滿，現實骨感”。
洛杉磯加利福尼亞科學中心展出的“奮進”號航天飛機。圖源：IC PHOTO
“航天飛機就是入軌級可重複使用，但為此付出了極大的代價。”據楊宇光介紹，航天飛機全係統起飛重量達2000多噸，如果是常規構型的運載火箭，低軌運力至少能有六七十噸，但是航天飛機的運力隻有29噸。付出那麽多代價，第一是為了能載人，第二是為了能回來，能重複使用。
航天飛機每次回來還都要做非常複雜的檢修，它的每塊隔熱瓦形狀都不同，難以標準化量產。“星艦”好一點，大多數防熱瓦形狀是一樣的，但靠近頂部以及升降翼麵的防熱瓦也不一樣，要更換這些必然帶來時間和人才成本。“因為技術過於激進，首先能不能成功還要打個問號；即便完全複用在實踐中成功了，最終是不是省錢也不好說。”
尤其是未來“星艦”要計劃載人飛行，安全將會是更大的難關。航天飛機隻是載7個人，在135次飛行中就炸了兩次（1986年的“挑戰者”號和2003年的“哥倫比亞”號），共有14名航天員遇難。“星艦”一方麵要極致地壓縮成本，另一方麵要一次運載100人，萬一發生一次嚴重事故，基本可以肯定這100人都無法生還，這對於“星艦”計劃帶來的衝擊是難以想象的。
載人航天的安全要求有多嚴格？楊宇光舉了個例子：SpaceX本想在載人“龍”飛船上使用火箭反推著陸，但被NASA和FAA（美國聯邦航空管理局）給否決了，還是擔心反推太不安全，要求SpaceX改回降落傘減速著陸。
首艘載人“龍”飛船。圖源：IC PHOTO
“‘龍’飛船外形非常短粗，其8台發動機隻需4台工作就能著陸，就這樣美國官方都不允許。‘星艦’二子級可比‘龍’飛船要細長得多，稍微一歪就可能倒、可能炸，風險太大，至今隻成功回收過一次。不載人也就算了，載人的話，官方怎麽可能開綠燈？”楊宇光提醒，“星艦”載人的二子級要想重複使用，其唯一的著陸方式就是火箭反推，因為其空重達120噸，這遠遠超出了降落傘的承重極限。如果管理部門不允許，那麽“星艦”載人飛行也隻是空中樓閣。
楊宇光進一步指出，“星艦”事實上不太適合送人送貨到月球、火星，最適合它的工作是繞著地球轉，比如發射衛星到近地軌道。
“因為發射深空載荷需要更高的速度，隻有級數多，速度才能加上去。比如‘土星五號’是三級火箭，N1更達到了五級；再比如，發射‘天問一號’火星探測器的長征五號基本型是兩級半，專門發射空間站的長征五號B就是一級半。”楊宇光認為，“星艦”為了百分百可重複使用，選擇了兩極構型，對於近地軌道是合算、高效的，但對於深空運輸來說效率卻是極低的。
叩開星門：需要全人類勠力同心
目前，我國可重複使用火箭也已呼之欲出。
今年6月23日和9月11日，兩家中國公司成功完成了十公裏級火箭垂直起降試驗，分別是航天科技集團八院和藍箭航天。此外，據航天專欄作家陳藍觀察，中國還有四家公司實現了低空回收，四家公司實現了係繩或航發驅動飛行及回收。
事實上，規劃有可回收火箭的中國公司不止以上10家，還有天兵科技、東方空間、空天引擎、箭元科技等也在摩拳擦掌，預計不久也會加入回收試驗俱樂部。
“實事求是地說，在航天技術重大創新方麵，SpaceX依然領先。”陳藍說，“在目前階段采用跟隨戰略是完全正確的，它可以讓人們避開許多別人踩過的坑，少走彎路，提高效率。沒有必要重複發明輪子。”
畢竟，邁向“星辰大海”征途漫漫，不是一個國家可以獨立完成的，需要世界各國的勠力同心。人類也隻能一步一個腳印、摸索著艱難前行，攜手在群星之間，共同譜寫人類命運共同體的全新篇章。
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