2024年10月13日,美國太空探索技術公司(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“筷子”機械臂捕獲回收,第二級火箭“星艦”飛船實現了在海面的低速垂直濺落,標志著SpaceX在“星艦”完全可重復使用目標的道路上邁出重要一步。
SpaceX以其快速迭代的研發模式,正在推動航天技術的革命性發展,對未來航天產業發揮著重塑和引領作用。未來兩年,“星艦”還將開展超過5次的試飛改進發射任務。盡管如此,“星艦”要實現2026年美國載人登月的預期目標,仍面臨諸多挑戰。
“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,經過數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射階段也是不必要的負重,降低了效率。
馬斯克的最終目標是讓火箭像民航飛機一樣重復使用,著陸后僅需簡單檢查即可重新加注推進劑并再次發射,甚至一天內執行多次發射。為提升火箭回收和復用效率,SpaceX在“星艦”項目伊始就提出了一級火箭直接飛回發射臺的設想。通過取消著陸腿,火箭變得更輕、更簡潔。用于回收的“筷子”既可作為發射前的總裝塔吊,又可用于捕獲火箭,實現一機多用,無須額外設計專用的回收設備。
“筷子”回收也需要克服兩個方面的挑戰:一是著陸精度要求極高,火箭需要以極高精度飛回發射臺,利用火箭貯箱側壁上兩個小型的倒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。二是回收失敗風險,如果回收失敗,可能會損壞發射臺或周邊的發射設施,造成嚴重的經濟損失并影響后續發射計劃。這一風險高于“獵鷹9號”回收失敗的影響。
為了降低風險,在“星艦”第五次發射試飛的一級返回過程中,系統持續監測發射臺和火箭的狀態。只有當所有狀態正常,且發射人員手動下達指令時,一級火箭才會嘗試飛回發射臺進行回收。如果火箭出現異常,如柵格舵卡澀、推進劑泄漏、火箭姿態失控等,火箭將選擇在海上著陸,避免對發射臺造成損害。
這次“星艦”發射六分鐘后,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,二級飛船繼續正常飛行,在發射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和很多觀眾的預期。
“快速迭代”研發模式順利推進
傳統航天器研發遵循穩健謹慎的原則,強調在地面進行充分測試,力求一次成功。然而,SpaceX采用了互聯網行業常用的“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據和經驗。
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,改進設計。公司內部的工程師團隊高度協作,決策流程簡化,加快了研發進度。此外,SpaceX擁有自己的生產和測試設施,能夠快速制造新的原型機。這種高效的資源整合和團隊協作,大大縮短了研發周期,實現了快速迭代的順利推進。
2023年“星艦”的第一次試飛實現了33個發動機并聯起飛,三個發動機意外關機,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;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”飛船實現海面軟著陸。
此次第五次試飛成功,標志著“星艦”在關鍵技術上取得了重要進展,為實現其設計目標——完全可重復使用的重型運載火箭系統,邁出了堅實的一步。
有望重塑未來航天產業
“星艦”的最終目標是實現火箭的完全可重復使用,包括一級“超重”助推器和二級“星艦”飛船。
這一技術挑戰大幅超過了“獵鷹9號”火箭。首先,“星艦”的運載能力達到了“獵鷹9號”的5—10倍,完全重復使用時可以將100—200噸的有效載荷送到近地軌道!矮C鷹9號”只有第一級火箭可以重復使用,第二級火箭則是一次性的!靶桥灐钡娜靠芍貜褪褂,有望大幅降低發射成本。相比傳統一次性火箭,“星艦”的發射成本預計將降低一個數量級以上,使進入太空的成本從每公斤數千美元降至數百美元。
SpaceX計劃基于“星艦”平臺,開發多個版本以適應不同的任務需求,這當中包括貨運版“星艦”,即用于大規模部署衛星、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,提高通信網絡的覆蓋和性能。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。此外,還有載人版“星艦”,承擔載人登月、登陸火星等任務,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。特殊任務版“星艦”,用于全球快速貨物運輸、緊急救援、軍事部署等,實現全球范圍內的高速物資和人員調動,可在地球任意兩點間實現一小時內送達。
通過大幅降低發射成本,“星艦”有望使進入太空的門檻大大降低,構建起一條“太空高速公路”,引領并重塑未來航天產業,為太空經濟的發展提供新的機遇。更低的成本將吸引更多商業公司和機構參與太空探索和開發,促進衛星部署、太空旅游、資源開采等新興產業的發展。
載人登月依然挑戰重重
按照美國當前的計劃,預期在2026年9月執行“阿爾忒彌斯3號”載人登月任務,但想要實現這一目標,仍面臨諸多挑戰。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需要至少發射十幾艘“星艦”飛船才能執行“阿爾忒彌斯3號”的月球著陸任務。
為實現上述載人登月目標,還有多項關鍵技術尚待突破和驗證。一是重量減輕與性能優化,為了滿足登月任務的需求,“星艦”需要在未來兩年內進一步減輕自身重量,提高有效載荷比。二是太空加油技術,載人登月任務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,每次轉移約200噸燃料。太空加油技術尚未在實際任務中驗證,需要進行大量試驗,以確?煽啃院桶踩。
最后是月球著陸與起飛技術:“星艦”需要在月球表面實現安全著陸和再次起飛。月球表面地形復雜,沒有像地面一樣建好的著陸場和發射場,“星艦”超過50米的高度和巨大質量對著陸穩定性提出了嚴峻挑戰。上面每項試驗都可能需要多次重復才能成功,時間壓力巨大。
SpaceX的“星艦”項目以其大膽的創新和快速迭代的研發模式,正在重新定義火箭和航天器研發的方式,其進步不可否認地對全球航天產業產生了深遠影響。未來,隨著關鍵技術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,推動航天事業進入新的時代。
(作者系中國航天科普大使)