火箭回收复用新革命：SpaceX的 “超级大筷子”

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火箭回收复用新革命：

SpaceX的“超级大筷子”

文 | 张雪松

本文原载于《卫星与网络》杂志2022年1&2合刊

前言

2021年底马斯克要在2022年进行12次星舰发射的豪言壮语言犹在耳，然而12月28日美国联邦航空管理局（FAA）宣布，对星舰基地的环评报告推迟到今年2月底发布。按惯例发布发射星舰的许可更在其后，举世瞩目的星舰首飞恐怕要等到至少4月份，马斯克和他的SpaceX公司也只能做更多准备工作。目前他们正在积极测试星舰的发射和捕获塔（它被马斯克称为Mechazilla，国内有翻译为“机甲酷斯拉”），而其中最引人注目的当属被称之为“筷子”机器人（Robot Chopsticks）的捕获机械臂，它将是未来星舰快速回收复用的核心！

来自东方的神秘筷子

2021年4月10日，马斯克首次在推特用“Mechazilla”来称呼用于抓住星舰巨型火箭芯一级及““超重””助推器的发射塔，8月份他又在推特透露，SpaceX公司将尝试用机器人“筷子（Chopsticks）”捕获有史以来最大的飞行物体，他还形象地调侃道，Mechazilla捕获星舰的能力，就像用筷子夹起小块寿司一样。这么看来，这对“超级筷子”的灵感居然是来自东方的神秘力量。SpaceX的粉丝自告奋勇制作发布了一段动画视频，猜测Mechazilla捕获星舰的工作方式，视频中发射塔展开一对机械臂抱住”超重”助推器，这样的想法十分疯狂，但却得到马斯克的回应称“非常相似”！

随着时间的推移，马斯克的“超级筷子”开始浮出水面——

10月6日到10月20日间，Mechazilla发射捕获塔上陆续安装了星舰维护的QD臂和捕获星舰的一对超级机械臂，为测试“筷子”机械臂做好准备。10月28日“超级筷子”首次活动，或许是无法进行星舰轨道发射的无奈，今年以来“筷子”机械臂的测试尤其活跃，让这台Mechazilla张牙舞爪十分吸睛：

1月4日午夜，Mechazilla发射捕获塔上的“超级筷子”进行了升降和大幅度的伸展动作，这次测试是机械臂安装以来的首次升降移动动作，也拉开了“超级筷子”测试的序幕。
1月8日的第二轮测试中，“超级筷子”又进行了大幅度的摆动测试活动，眼尖的粉丝还发现上方的QD臂安装了弹性抓盘，以避免接触星舰飞船时擦伤不锈钢船体和防热瓦。
1月10日的第三轮测试中，“超级筷子”陆续进行了升降和摆动测试，为捕获星舰一级进行更全面的测试，Mechazilla发射捕获塔挥舞着“超级筷子”看起来十分“嚣张”，可惜的是，它等待的”超重”助推级仍然遥遥无期。
1月11日，不甘寂寞的Mechazilla发射捕获塔继续进行测试，这次为了模拟捕获的”超重”助推器，这对机械臂上挂上了两套模拟水袋。注水后的水袋能模拟几乎耗尽燃料的”超重”，测试“超级筷子”的悬挂能力，“超级筷子”仅用约7分钟就顺利登顶，不过挂着水袋的画面实在有些滑稽。

1月10日的测试

1月11日的测试

“超级筷子”挂着两套模拟水袋

毫无疑问，未来Mechazilla发射捕获塔和“超级筷子”将进行更多的测试，扎扎实实地为迎接从天而降的”超重”火箭做好准备。“超级筷子”的回收方式风险很大，回收一旦失败，不仅作为星舰一级的”超重”助推器要折戟沉沙，连整个Mechazilla发射捕获塔都很可能在爆炸中化为乌有，甚至可能影响整个星舰基地……正式实施火箭捕获前，自然要慎之又慎多多测试。

为何转向超级筷子？

熟悉航天历史的人，哪怕仅仅是关注SpaceX公司的猎鹰九号火箭回收复用经历的人，都能看出这对“超级筷子”的回收方式和传统的着陆腿方式毫无相同之处，这样别出心裁的疯狂想法，彻底颠覆了传统的火箭回收概念。当然，现在火箭回收的“传统”概念，本来就是马斯克和SpaceX公司新闯出来的路，然而在其他人学习借鉴尚未成功的时候，马斯克就带着团队勇闯新路，这样的创新速度固然令人敬佩，但是冒这么大的风险，又有什么必要么？

马斯克曾表示星舰研发要花数十亿美元甚至更多，现在美国国家航空航天局（NASA）虽然给出了超过29亿美元的星舰登月器研制合同，但按照里程碑式合同的惯例，这笔巨款需要按照研制进度、合同执行节点来分批给付。因此，在星舰飞上地球轨道前，这笔29亿美元的合同实在远水难救近渴。星舰研制资金压力大，而环月和登月的时间点又紧，马斯克还要革命性的更新回收技术，属实有着不得已的缘由，那就是——猎鹰九号的“传统”回收方式短板太严重了，如果星舰沿用猎鹰九号的传统着陆腿回收方式，就不要指望实现梦想中的快速和廉价的重复使用，而与之相伴的在轨加注、载人登月和载人登火也都要成为黄粱一梦。

截至1月13日晚上的Transporter-3小卫星拼车发射任务，猎鹰九号芯一级已经进行了总共102次着陆，以及80次复用一级的发射飞行，着陆腿可以说是这辉煌成绩中的重要“功臣”。但这不等于说它完美无缺。

首先，增加了火箭的自重，巨大的着陆腿虽然大量使用复合材料，但重量也着实不小。其次，一级火箭着陆时很难落到最中心，而且着陆腿展开着陆时可能出现“站立”不稳的情况，有几率挫伤发动机和箭体，甚至箭体倾覆让回收功亏一篑。另外，海上降落时回收船只长途航行返回，一般要耗时数天，到岸还有一系列检测维护操作，陆上降落也需要将垂直的箭体放倒，进行基本的检测和维护，合格后才能重新投入发射，整个周转周期就更长了。火箭实验室公司曾表示，对于他们来说，火箭回收复用更重要的价值在于缩短周转周期，而马斯克现在显然对猎鹰九号的回收复用周期并不满意。

然而，巧妇难为无米之炊，为了NASA载人发射任务，猎鹰九号火箭基本设计已经冻结，很难再进行革命性的改进和提高了，进一步提高回收复用能力的希望，就要靠正在研制的星舰了，而SpaceX公司为了进一步提高复用能力，缩短复用周期所做的尝试，推动了现在星舰基地Mechazilla 发射捕获塔上“超级筷子”的诞生。富贵险中求，“超级筷子”虽然看起来工程风险很大，一旦成功带来的收益也是极为惊人的。

筷子也是核心竞争力

提到马斯克的星舰，自2016年马斯克在国际宇航大会提出以来，航天迷们对其关键技术如数家珍。不管是令人大跌眼镜的不锈钢箭体，还是技术登峰造极的猛禽发动机，或是重复使用技术，都构成了星舰快速复用和廉价发射成本的核心竞争力，现在看来，这对“超级筷子”也是星舰成功必不可少的核心装备，是星舰复用竞争力的核心之一。

星舰第一级也就是”超重”助推器的回收着陆原理极其简单：“超级筷子”机械臂和星舰的”超重”一级配合使用，”超重”助推器顶部的四个栅格舵在垂直降落末端锁定为水平位置，机械臂展开接触锁定的栅格舵，吊住下落中的”超重”助推器，随后移动将其精确放置到发射架上。从原理上说，“超级筷子”是吊挂而不是夹住火箭箭体，其实和筷子夹寿司没多少相似之处，因为即使是几毫米厚的不锈钢箭体，9米直径的”超重”助推器仍然是典型馅大皮薄的结构，绝对是经不起这对“超级筷子”如钳子般夹一下的。

马斯克推文说“超级筷子”将接住有史以来最大的飞行物，其实吊挂回收飞行器并非新概念，二战时期就有吊臂回收飞机的方式，20世纪80年代英国人又提出了“天钩”的概念，并用海鹞战斗机做了测试，但马斯克这对“超级筷子”承接的重量高达数百吨，工程难度的确是空前的。

20世纪80年代英国人提出的“天钩”概念，并用海鹞战斗机做了测试

“超重”和“筷子”的结合，不仅解决了降落精度的问题，也不用担心箭体倾覆，而且无须猎鹰九号一级火箭降落后反复放平和起竖，降低了对箭体结构的影响，进一步提高了火箭的可靠性。更重要的是，理论上说”超重”助推器降落后直接就能返回发射塔，随后测试加注投入下一次发射，极大地缩短了复用周转周期，马斯克吹过的24小时复用周期，说不定真能成为现实！

有趣的是，提出这对“超级筷子”的回收创意之后，马斯克的“牛皮”再进一步，他兴致勃勃地表示“筷子”抓住”超重”助推器后，能“立刻重新定位”到发射塔架上，并在“一个小时内做好再次飞行的准备”。如果”超重”助推器和“超级筷子”的回收复用能力得到验证，不论是新吹的一个小时重新飞行，还是原来24小时周转周期的“牛皮”，都意味着空前的快速复用能力，也将为实现高密度航天发射能力，革命性地降低发射成本提供了可能。

贝索斯在载人登月器（HLS）合同授予SpaceX公司后，曾攻击星舰每次发射需要间隔12天，而一次载人登月需要多达16次的星舰发射，才能为地球轨道上的登月星舰加满燃料。如果星舰无法实现快速和廉价的重复使用，载人登月的巨额亏损将是马斯克无法承受之重。现在星舰基地Mechazilla发射捕获塔上的“超级筷子”，作为星舰回收的核心装备，将决定着马斯克未来是再创辉煌还是声名扫地，是星舰重复使用当之无愧的核心竞争力。

超级筷子何日显身手？

“超级筷子”的作用和价值毋庸置疑，现在也是星舰基地发射捕获塔上测试的核心部分。然而，“超级筷子”要想在”超重”助推器回收测试中大显身手，目前看来仍然有待时日。

美国联邦航空管理局的环评报告推迟到2月底，而按照惯例从环评报告到发放发射许可，一般要等至少一个月之久。星舰的起飞推力和起飞重量都刷新了新的世界纪录，成为网红的星舰制造基地更是备受公众关注的项目，这给监管部门带来了更大的压力，不出意外的话，2月28日能按时发布环评报告就相当不错了，这也是很多人认为4月或是更晚才能见到星舰首次轨道发射测试的原因。这样看来，星舰首次轨道发射就要等到今年2季度，如果稍有意外甚至可能推迟到3季度。

按照去年5月披露的测试计划，星舰的首次发射中无论”超重”助推器还是二级星舰飞船都不返回回收，其中”超重”助推器反推返回星舰基地附近，溅落在距离海岸20英里处的墨西哥湾海面上，而SN20星舰飞船将进行一次亚轨道飞行，溅落在夏威夷岛东北方的太平洋洋面上。马斯克曾乐观地表示，第二次星舰发射将尝试使用“超级筷子“捕获回收返回的”超重”助推器，这是不是意味着”超级筷子“大显身手为期不远呢？

我们必须明白，作为革命性的运载工具，星舰设计和制造都走的是新路，工程上的难度和风险很大，它的首次轨道发射不炸掉马斯克炫酷的Mechazilla发射捕获塔就已经是万幸了，要知道同样是约30台分级燃烧循环的高室压发动机并联，苏联N-1火箭是4发4炸，其中第二次发射出现火箭发射史上最大的爆炸，把整个发射台炸毁了。

马斯克曾在猎鹰重型火箭发射前也说过“不炸发射台是万幸”的话，但好运气不一定一直伴随他，一旦发射台上出现爆炸事故，少则半年多则一两年的停滞都不意外。如果星舰首次轨道发射成功，第二次轨道发射试验我们就能看到“超级筷子”的表演，即使一切顺利的话，我们要目睹这一幕壮观景象也要等到今年6月份或3、4季度。

总而言之，“超级筷子”是星舰降落回收的核心装备，现在也在积极进行测试准备，但由于星舰轨道发射测试的风险，Mechazilla发射捕获塔要张开双臂大显身手，至少还要等上半年左右时间，当然对于看惯了SLS等火箭的航天迷们来说，这真不是什么遥远的事情。