用“筷子”夾火箭

在人類探索宇宙的征途中，每一次的技術(shù)突破都意味著向前邁出了一大步。

在人類探索宇宙的征途中，每一次的技術(shù)突破都意味著向前邁出了一大步。而SpaceX的突破——推出的“筷子夾火箭”技術(shù)，即通過發(fā)射塔上的機(jī)械臂在半空中成功捕獲并回收火箭的第一級(jí)助推器，不僅展示了該公司在可重復(fù)使用火箭領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，也為全球航天工業(yè)帶來了深遠(yuǎn)的影響。

用來抓住“星艦”的塔架被稱作Mechazilla，有媒體將其翻譯為“機(jī)械哥斯拉”。塔架上的兩個(gè)機(jī)械臂各長(zhǎng)36米、高18米，承重超過700多噸。根據(jù)SpaceX的計(jì)劃，第五次試飛將利用原位發(fā)射與回收技術(shù)，測(cè)試發(fā)射塔架機(jī)械臂捕獲火箭的新回收模式?！翱曜訆A火箭”有多難？資料顯示，在最初的兩次試飛中，“星艦”均因?yàn)槭Э囟鴨?dòng)自毀裝置；第三次試飛時(shí)，“超級(jí)重型”火箭成功完成返回點(diǎn)火，但在著陸點(diǎn)火時(shí)姿態(tài)失控，未能完整落海；一直到第匹次試飛，才首次實(shí)現(xiàn)了在預(yù)定地點(diǎn)的成功減速、垂直下降，并成功進(jìn)行“海面軟著陸”。SpaceX發(fā)布的演示視頻顯示，在第五次試飛中，該火箭完成發(fā)射任務(wù)后精準(zhǔn)返回發(fā)射地點(diǎn)，并逐步減速和降低高度，最后由發(fā)射塔架上的機(jī)械臂將處于懸停狀態(tài)的火箭在半空中牢牢抓住。SpaceX在網(wǎng)站上表示：“完成接住火箭的動(dòng)作需要滿足成千上萬(wàn)個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，任何—個(gè)數(shù)據(jù)的偏差，都可能導(dǎo)致助推器偏離返回軌道，最終墜入墨西哥灣。”

在傳統(tǒng)的火箭發(fā)射模式中，火箭的第一級(jí)助推器通常會(huì)在完成任務(wù)后墜入海洋或荒無(wú)人煙的地區(qū)，這意味著每次發(fā)射都需要制造全新的助推器。這樣不僅成本高昂，而且浪費(fèi)資源。據(jù)估計(jì)，火箭發(fā)射成本的大約70％來自第—級(jí)助推器的制造。

然而，要實(shí)現(xiàn)火箭助推器的重復(fù)使用，需要克服多個(gè)技術(shù)難題，包括：精確的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，確?；鸺诜祷剡^程中保持穩(wěn)定的軌跡，避免因風(fēng)速變化等因素而偏離目標(biāo)；耐高溫的材料，在火箭重新進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì)面臨極端的溫度環(huán)境，需要使用特殊的隔熱材料保護(hù)關(guān)鍵部件；快速響應(yīng)的系統(tǒng)，機(jī)械臂必須具備高速響應(yīng)能力，才能在短時(shí)間內(nèi)完成捕獲動(dòng)作。

據(jù)SpaceX負(fù)責(zé)人埃隆·馬斯克對(duì)“筷子夾火箭”技術(shù)的介紹，“筷子”郎發(fā)射臺(tái)塔架上的兩個(gè)巨型機(jī)械臂，要夾住的是從高空飛速墜落，重達(dá)200多噸的火箭助推器。火箭助推器由于自身的巨大體量和極快的墜落速度，它在即將抵達(dá)回收塔時(shí)會(huì)啟動(dòng)引擎進(jìn)行減速，直到速度接近零，再落到正好張開的機(jī)械臂之間，機(jī)械臂隨后逐漸收攏，慢慢接住助推器。助推器上還有—些像小旋鈕一樣的吊耳，這些吊耳最終會(huì)牢牢掛到機(jī)械臂頂部，確保助推器不會(huì)被扯碎和擠壓?；鸺厥者^程中的巨大挑戰(zhàn)可想而知。

從后期一系列相關(guān)資訊和回收實(shí)踐效果來看，SpaceX的發(fā)射塔確實(shí)配備了極為先進(jìn)的機(jī)械臂系統(tǒng)，這些機(jī)械臂具有以下特點(diǎn)：靈活性，能夠根據(jù)火箭的位置和速度快速調(diào)整姿態(tài)：穩(wěn)定性，即使在惡劣天氣條件下，也能保持高精度操作；安全性，設(shè)計(jì)有多重冗余系統(tǒng)，通過技術(shù)手段提升系統(tǒng)可靠性，確保在捕獲過程中不會(huì)對(duì)火箭造成損傷。

簡(jiǎn)單來說，火箭發(fā)射后的回收流程如下：發(fā)射任務(wù)結(jié)束，第一級(jí)助推器分離并開始返回地面。自動(dòng)導(dǎo)航：助推器利用自帶的推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整方向，確保按照預(yù)定路徑返回。減速階段：通過多次短時(shí)間點(diǎn)火減速，使助推器的速度降低至可以被機(jī)械臂安全捕獲的范圍。最終捕獲：當(dāng)助推器接近地面時(shí)，機(jī)械臂迅速伸出，精準(zhǔn)地將其捕獲并固定。

“筷子夾火箭”技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于顯著降低了火箭的發(fā)射成本。通過重復(fù)使用第一級(jí)助推器，SpaceX已經(jīng)將單次發(fā)射成本從數(shù)千萬(wàn)美元降至幾百萬(wàn)美元，美國(guó)空軍高級(jí)航空航天研究學(xué)院教授溫迪·科布在接受澳大利亞廣播公司采訪時(shí)說：“‘星艦’成功被‘筷子’回收，意味著發(fā)射成本將以難以置信的速度下降?！边@對(duì)于商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射、國(guó)際空間站補(bǔ)給任務(wù)以及未來的深空探測(cè)計(jì)劃具有重要意義。

除了經(jīng)濟(jì)效益外，該技術(shù)還有助于減少太空垃圾的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的一次性火箭發(fā)射后，廢棄的助推器會(huì)成為太空垃圾，而可重復(fù)使用的助推器能有效緩解這一問題。SpaceX的成功激勵(lì)著其他航天企業(yè)加大對(duì)技術(shù)研發(fā)的投入，推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。例如，藍(lán)色起源（Blue Origin）也在研究類似的可回收火箭技術(shù)，而競(jìng)爭(zhēng)又促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步和成本的進(jìn)—步降低。

隨著火箭發(fā)射成本的降低，人類對(duì)深空的探索變得更加可行。NASA的阿爾忒彌斯計(jì)劃旨在重返月球并建立長(zhǎng)期基地，而私人企業(yè)如SpaceX和藍(lán)色起源也在規(guī)劃前往火星的任務(wù)?！翱曜訆A火箭”技術(shù)的應(yīng)用將為實(shí)現(xiàn)這些宏偉目標(biāo)提供強(qiáng)大的支持。