2024年10月13日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在得克薩斯州博卡奇卡基地成功實施了“超重助推/星艦組合體（IFT-5）”（以下簡稱“星艦”）的第五次試飛。這次試飛取得了重要突破，第一級火箭“超重”助推器首次實現(xiàn)“筷子”機械臂捕獲回收，第二級火箭“星艦”飛船實現(xiàn)了在海面的低速垂直濺落，標(biāo)志著SpaceX在“星艦”完全可重復(fù)使用目標(biāo)的道路上邁出重要一步。
SpaceX以其快速迭代的研發(fā)模式，正在推動航天技術(shù)的革命性發(fā)展，對未來航天產(chǎn)業(yè)發(fā)揮著重塑和引領(lǐng)作用。未來兩年，“星艦”還將開展超過5次的試飛改進發(fā)射任務(wù)。盡管如此，“星艦”要實現(xiàn)2026年美國載人登月的預(yù)期目標(biāo)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
SpaceX在“星艦”的第五次試飛中成功回收了“超重”助推器B12。圖片來源：SpaceX
“千里穿針”SpaceX目前的“獵鷹9號”火箭一級回收方式，需要在海上著陸后，由工作人員固定火箭，經(jīng)過數(shù)天至十幾天的運輸才能返回港口。到達港口后，還需使用吊機起吊、轉(zhuǎn)運，收攏或拆卸著陸腿，才能進入廠房開始翻修。這一過程不僅延長了火箭的翻修周期，而且火箭上攜帶的著陸腿在發(fā)射階段也是不必要的負重，降低了效率。
馬斯克的最終目標(biāo)是讓火箭像民航飛機一樣重復(fù)使用，著陸后僅需簡單檢查即可重新加注推進劑并再次發(fā)射，甚至一天內(nèi)執(zhí)行多次發(fā)射。為提升火箭回收和復(fù)用效率，SpaceX在“星艦”項目伊始就提出了一級火箭直接飛回發(fā)射臺的設(shè)想。通過取消著陸腿，火箭變得更輕、更簡潔。用于回收的“筷子”既可作為發(fā)射前的總裝塔吊，又可用于捕獲火箭，實現(xiàn)一機多用，無須額外設(shè)計專用的回收設(shè)備。
“筷子”回收也需要克服兩個方面的挑戰(zhàn)：一是著陸精度要求極高，火箭需要以極高精度飛回發(fā)射臺，利用火箭貯箱側(cè)壁上兩個小型的倒L形掛點被“筷子”準確捕獲。這一過程被形容為“千里穿針”，難度極大。二是回收失敗風(fēng)險，如果回收失敗，可能會損壞發(fā)射臺或周邊的發(fā)射設(shè)施，造成嚴重的經(jīng)濟損失并影響后續(xù)發(fā)射計劃。這一風(fēng)險高于“獵鷹9號”回收失敗的影響。
為了降低風(fēng)險，在“星艦”第五次發(fā)射試飛的一級返回過程中，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測發(fā)射臺和火箭的狀態(tài)。只有當(dāng)所有狀態(tài)正常，且發(fā)射人員手動下達指令時，一級火箭才會嘗試飛回發(fā)射臺進行回收。如果火箭出現(xiàn)異常，如柵格舵卡澀、推進劑泄漏、火箭姿態(tài)失控等，火箭將選擇在海上著陸，避免對發(fā)射臺造成損害。
這次“星艦”發(fā)射六分鐘后，一級“超重”助推器與二級飛船分離并返回，被一對18米高的機械臂“筷子”準確捕獲。之后，二級飛船繼續(xù)正常飛行，在發(fā)射1小時5分鐘左右，成功垂直濺落印度洋海域。SpaceX第一次測試機械臂捕獲“超重”助推器就取得成功，超出了SpaceX和很多觀眾的預(yù)期。
“快速迭代”研發(fā)模式順利推進傳統(tǒng)航天器研發(fā)遵循穩(wěn)健謹慎的原則，強調(diào)在地面進行充分測試，力求一次成功。然而，SpaceX采用了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)常用的“快速迭代”模式。自“星艦”項目啟動以來，SpaceX進行了多次原型機試飛。雖然部分試飛以爆炸或失敗告終，但每次試飛都為工程師提供了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。
第五次“星艦”試飛，火箭由B12號“超重”助推器和S30號“星艦”飛船組成兩級火箭。從編號可以看出，這之前已進行了幾十次地面測試和短距離飛行試驗。SpaceX的垂直整合模式，使其能夠迅速從失敗中汲取教訓(xùn)，改進設(shè)計。公司內(nèi)部的工程師團隊高度協(xié)作，決策流程簡化，加快了研發(fā)進度。此外，SpaceX擁有自己的生產(chǎn)和測試設(shè)施，能夠快速制造新的原型機。這種高效的資源整合和團隊協(xié)作，大大縮短了研發(fā)周期，實現(xiàn)了快速迭代的順利推進。
2023年“星艦”的第一次試飛實現(xiàn)了33個發(fā)動機并聯(lián)起飛，三個發(fā)動機意外關(guān)機，火箭在第一、二級分離前爆炸；第二次試飛一、二級成功分離，“超重”助推器和“星艦”飛船先后爆炸；今年3月的第三次試飛一、二級成功分離，“超重”助推器在嘗試著陸點火后解體，“星艦”飛船在再入大氣層時燒毀失聯(lián)；今年6月的第四次試飛成功測試“星艦”飛船再入能力，“超重”助推器和“星艦”飛船實現(xiàn)海面軟著陸。
此次第五次試飛成功，標(biāo)志著“星艦”在關(guān)鍵技術(shù)上取得了重要進展，為實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)完全可重復(fù)使用的重型運載火箭系統(tǒng)，邁出了堅實的一步。
有望重塑未來航天產(chǎn)業(yè)“星艦”的最終目標(biāo)是實現(xiàn)火箭的完全可重復(fù)使用，包括一級“超重”助推器和二級“星艦”飛船。
這一技術(shù)挑戰(zhàn)大幅超過了“獵鷹9號”火箭。首先，“星艦”的運載能力達到了“獵鷹9號”的510倍，完全重復(fù)使用時可以將100200噸的有效載荷送到近地軌道。“獵鷹9號”只有第一級火箭可以重復(fù)使用，第二級火箭則是一次性的。“星艦”的全部可重復(fù)使用，有望大幅降低發(fā)射成本。相比傳統(tǒng)一次性火箭，“星艦”的發(fā)射成本預(yù)計將降低一個數(shù)量級以上，使進入太空的成本從每公斤數(shù)千美元降至數(shù)百美元。
SpaceX計劃基于“星艦”平臺，開發(fā)多個版本以適應(yīng)不同的任務(wù)需求，這當(dāng)中包括貨運版“星艦”，即用于大規(guī)模部署衛(wèi)星、空間望遠鏡和空間站組件，支持星鏈（Starlink）等大型星座的快速部署，提高通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和性能。加油版“星艦”，作為“太空油輪”，在地球軌道或深空為其他“星艦”加注推進劑，支持遠距離的月球和火星等深空任務(wù)。此外，還有載人版“星艦”，承擔(dān)載人登月、登陸火星等任務(wù)，具備運送大量人員和物資的能力。特別是載人登月版“星艦”，作為美國國家航空航天局（NASA）“阿爾忒彌斯”計劃的一部分，要實現(xiàn)將宇航員從月球軌道送至月球表面并返回到月球軌道的目標(biāo)。特殊任務(wù)版“星艦”，用于全球快速貨物運輸、緊急救援、軍事部署等，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高速物資和人員調(diào)動，可在地球任意兩點間實現(xiàn)一小時內(nèi)送達。
通過大幅降低發(fā)射成本，“星艦”有望使進入太空的門檻大大降低，構(gòu)建起一條“太空高速公路”，引領(lǐng)并重塑未來航天產(chǎn)業(yè)，為太空經(jīng)濟的發(fā)展提供新的機遇。更低的成本將吸引更多商業(yè)公司和機構(gòu)參與太空探索和開發(fā)，促進衛(wèi)星部署、太空旅游、資源開采等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
載人登月依然挑戰(zhàn)重重按照美國當(dāng)前的計劃，預(yù)期在2026年9月執(zhí)行“阿爾忒彌斯3號”載人登月任務(wù)，但想要實現(xiàn)這一目標(biāo)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。不久前，航天專家、NASA“從月球到火星”項目的助理副署長拉基莎霍金斯表示，“星艦”飛船不能直接飛往月球，必須在地球軌道上加滿油后才能前往深空。SpaceX需要至少發(fā)射十幾艘“星艦”飛船才能執(zhí)行“阿爾忒彌斯3號”的月球著陸任務(wù)。
為實現(xiàn)上述載人登月目標(biāo)，還有多項關(guān)鍵技術(shù)尚待突破和驗證。一是重量減輕與性能優(yōu)化，為了滿足登月任務(wù)的需求，“星艦”需要在未來兩年內(nèi)進一步減輕自身重量，提高有效載荷比。二是太空加油技術(shù)，載人登月任務(wù)需要在地球軌道上為“星艦”加注超過1000噸的推進劑，這需要多次與加油船對接，每次轉(zhuǎn)移約200噸燃料。太空加油技術(shù)尚未在實際任務(wù)中驗證，需要進行大量試驗，以確�？煽啃院桶踩浴�
最后是月球著陸與起飛技術(shù)：“星艦”需要在月球表面實現(xiàn)安全著陸和再次起飛。月球表面地形復(fù)雜，沒有像地面一樣建好的著陸場和發(fā)射場，“星艦”超過50米的高度和巨大質(zhì)量對著陸穩(wěn)定性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。上面每項試驗都可能需要多次重復(fù)才能成功，時間壓力巨大。
SpaceX的“星艦”項目以其大膽的創(chuàng)新和快速迭代的研發(fā)模式，正在重新定義火箭和航天器研發(fā)的方式，其進步不可否認地對全球航天產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠影響。未來，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破和試飛計劃的推進，有理由期待“星艦”為人類打開通往更廣闊宇宙的大門，推動航天事業(yè)進入新的時代。
（作者系中國航天科普大使）
作者：周炳紅
編輯：杜瑋
