SpaceX Mechazilla成功捕获火箭，星舰回收技术实现重大突破

SpaceX Mechazilla成功捕获火箭，星舰回收技术实现重大突破

2024年10月13日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星舰”超重型火箭实现了一次里程碑式的成功——在第五次试飞中，第一级火箭精准地返回发射塔架，并在机械臂的配合下完成了“筷子夹火箭”的高难度操作。这种被美媒称为“史无前例”的全新火箭回收模式，到底难在哪里？SpaceX又为何非要采用这种特殊模式么？

根据SpaceX的现场直播视频，“星舰”超重型火箭于美国东部时间上午8时25分点火正常升空，火箭第一级（即“超级重型”助推器）完成发射任务、与第二级“星舰”飞船脱离后，开始受控从高空降落并缓慢靠近发射塔架。在经过多次减速后，略带倾斜的“超级重型”助推器在半空中被发射塔架伸出的两条机械臂精确地“环抱”，随即完成了这次高难度的回收。不久后，SpaceX又宣布“星舰”飞船也成功降落在印度洋的预定海域，整个发射试验取得成功，“祝贺SpaceX团队完成激动人心的第五次星舰飞行测试！”

SpaceX方面的确值得为这次任务的成功而感到激动。之前外界普遍认为，“筷子夹火箭”的全新回收方式难度非常高，SpaceX首席执行官马斯克曾预测，“筷子夹火箭”的首次成功率仅为50%。此前“星舰”的四次试飞中，只有最后一次才得以验证相关技术——在最初的两次试飞中，“星舰”均因为失控而启动自毁装置；第三次试飞时，“超级重型”火箭完成返回点火，但是着陆点火时姿态失控，没能完整落海；一直到第四次试飞才首次实现了在预定地点的成功减速、垂直下降、“海面软着陆”的全过程。SpaceX副总裁比尔·格尔斯腾迈尔透露，“超级重型”火箭在第四次海面软着陆的精度为0.5厘米，这为发射塔原位捕获火箭技术奠定了基础。

技术突破：如何实现“筷子夹火箭”

想要实现“筷子夹火箭”并不容易。两条负责捕获火箭的机械臂长达36米、高18米，能在发射塔轨道上下移动，灵活地接近和抓取降落中的火箭，并需要根据火箭降落时的位置变化随时进行调整。同时“筷子夹火箭”对于火箭的飞控精度和悬停能力的要求非常高，可谓“失之毫厘差之千里”，一旦略有偏差就可能导致火箭在发射塔架上倾倒甚至爆炸。

SpaceX计划使用巨大的机械臂塔——Mechazilla来捕捉返回的助推器。这种“捕捉”实际上并不是真正的抓取，而是助推器通过引擎精准控制，几乎悬停在机械臂塔上，并轻柔地落在机械臂的“捕捉点”上。助推器的底部有专门设计的结构，可以与机械臂塔上的“捕捉轨道”相吻合，确保助推器安全稳定地停留在塔上。

捕捉的关键在于助推器的最后阶段着陆燃烧。此时，13台Raptor引擎点火，减速进入最后阶段。当助推器接近塔时，10台引擎关闭，剩下的3台引擎用于精准控制助推器的降落。与Falcon 9不同，超级重型助推器在这个阶段可以依靠三台引擎进行更精细的控制，使得它可以“悬停”，这是一种可以极大提升着陆精度的优势。

机械臂塔在捕捉助推器时不会主动移动或调整位置，整个过程依赖于助推器极高的飞行精度。据SpaceX的副总裁Bill Gerstenmaier所说，SpaceX在第四次飞行测试中，助推器的着陆精度已经达到了0.5厘米，这说明这种复杂的控制系统已经非常精确。

历史意义：为火星探测奠定基础

至于为何要采用“筷子夹火箭”这种复杂和高风险的回收模式，SpaceX的解释是它可以高效解决火箭再利用的问题——根据马斯克9月宣布的计划，首艘前往火星的无人版“星舰”计划在两年后发射，以测试登陆火星的可靠性，如果着陆顺利，那么首批载人版“星舰”前往火星的行动将在4年后进行。按照他公布的时间表，从首次载人登陆火星之后，“星舰”的发射率将呈现指数级增长，目标是20年内在火星上建成一座自给自足的城市。为此需要将前往火星的太空发射成本从现在的每吨10亿美元降低到每吨10万美元，而SpaceX 在“星舰”设计上不遗余力地降低发射成本和提升效率，正是为此而来。

目前SpaceX 的“猎鹰9”号火箭助推器采用着陆腿回收、降落在海上回收船的模式已经非常成熟，成功率非常高。这种回收过程相对简单，不需要复杂的机械操作，但缺点在于后续重复利用比较麻烦，需要从回收船长途转运，无法满足SpaceX高频次发射的需求。而“筷子夹火箭”虽然技术实现难度大，但火箭回收后直接可以与发射塔架对接，后续的检查、加注燃料等步骤可以直接进行，极大减少了发射准备时间。此外，“超级重型”火箭的重量远超“猎鹰9”号火箭助推器，着陆腿可能难以承受火箭着陆时的巨大冲击。

未来展望：迈向深空探索的新纪元

这次成功的回收标志着星舰项目取得了重大进展，为未来实现完全可重复使用的发射系统奠定了基础。马斯克一直以来的梦想——让火箭助推器在发射结束后直接飞回发射台并进行快速复用，终于成为了现实。这一成就不仅得到了业界领袖的广泛赞誉，也为人类未来的深空探索提供了新的可能性。

SpaceX的星舰系统由第一级“超重”运载火箭和第二级太空飞船组成，总高121米，直径9米，最大起飞推力7130吨。这次发射标志着人类首型全复用火箭的诞生，将彻底改变人类进入太空的方式。

SpaceX高管更是放出豪言——明年将发射数量提升至25发，即半个月一发。甚至，“未来4年内发射400发星舰也不足为奇”。即使放在人类航天最疯狂的冷战时期，如此重型的火箭一月一发，这样的频率都是难以想象的。

星舰是SpaceX正在研制的一款可完全重复使用的重型火箭，起飞重量超越当年的阿波罗登月火箭——土星五号。这是今年星舰的第4次试射，也是初代星舰的谢幕演出。距离上次成功进行“筷子夹火箭”的第5次星舰发射，时隔仅1个月。

虽然“筷子夹火箭”技术得到成功验证后，“星舰”超重型火箭的未来依然面临多重挑战。尤其是美国载人登月的“阿尔忒弥斯”计划将使用“星舰”飞船的改进版本作为着陆器，将NASA宇航员送到月球表面。同时“星舰”还需要在该计划中承担在地球轨道上作为“太空加油站”的重要使命，这涉及大规模低温推进剂在轨加注技术，难度高、跨度大，却是“星舰”执行深空探测任务的“必修课”。NASA计划在2026年实现载人登月，但目前在“星舰”这两大重要领域尚未展开实际的大规模技术验证，因此后续的技术验证活动会非常密集。