星舰“筷子夹火箭” 有何颠覆？航天高管：箭体轻周期快成本低
当高71米的星舰超重型火箭第一级从天而降，飞到发射塔前时轻巧地由斜变直，缓缓降落，发射塔的机械臂也缓缓回收，最终成功“夹住”了这座庞然大物时，整个发射现场沸腾了，这个几乎“不可能完成的任务”在SpaceX的星舰项目经过四次试飞（其中前三次都难言成功）后，终于圆满实现。多家商业航天高管解读
北京时间10月13日晚，SpaceX星舰的第五次试飞中，第一级“超级重型”助推器在发射台完成“历史性着陆”。马斯克对此表示，“看起来棒极了！一些外部发动机喷嘴由于加热和一些其他小问题而变形，但这些问题很容易解决，星舰的设计目标是在升空后一小时内实现火箭助推器的再次发射。”此后，星舰“本体”S30飞船也在印度洋上成功溅落。
对于本次星舰上演“筷子夹火箭”的意义，新京报贝壳财经记者采访了星河动力董事长刘百奇、星际荣耀液体火箭总设计师季海波、航天驭星副总裁/总师曹梦、星河动力副总裁崔品、蓝箭航天朱雀三号火箭型号副总师董锴五名国内商业航天领域的专业人士，进行了解读。在航天专家看来，第一级火箭在发射塔上回收的这一操作可以让火箭箭体变轻，发射周期变短，大幅缩减商业航天的成本，是航天领域的重大突破，对我国商业航天的发展也具有借鉴意义。
星舰超重型火箭第一级正在回收至发射塔。 来源：SpaceX官方视频截图
“筷子夹火箭”相比垂直降落回收，优势在哪？
新京报贝壳财经记者注意到，自马斯克旗下的猎鹰系列火箭确立了“液体”“可回收”的技术路线后，包括SpaceX自己以及国内民营航天公司在进行相关火箭的发射、试验时均为垂直起降，即火箭回到地面。而这次的“筷子夹火箭”是首次火箭直接飞回发射台上，这一新技术设计有什么优势呢？
对此，星河动力董事长刘百奇在接受贝壳财经记者采访时以“轻”和“快”来形容个中的奥妙，“轻是取消了着陆腿，减轻了火箭结构重量，提升了运载效率。快，是火箭直接回到了发射架上，直接开展检测维修、加注和再次发射，可以连续快速发射。此外，这种方式也提高了安全性可靠性，先悬停再夹住，避免了落地冲击和落地时站不稳等因素。”
星河动力副总裁崔品进一步解释道，以猎鹰9号为代表的火箭自带着陆腿增加了重量，而为了安装着陆腿需要加强箭体结构也会增加重量，这些重量是“死重量”，会消耗用于运输任务载荷的推进剂，从而减少可运载的任务载荷。
“采用着陆腿方案着陆后，需要再次将火箭吊装、拆除着陆腿、运输到发射场并再次吊装到星舰发射台上，并进行再次和星舰的对接总装。特别是星舰助推很大，吊装运输都不易。而这个流程在采用‘筷子夹持’回收方案后完全简化了，从而可以极大提高再次重复使用发射的效率。”星际荣耀液体火箭总设计师季海波表示。
10月14日，马斯克发文称，星舰的最终设计目标是在升空后一小时内实现火箭助推器的再次发射，“助推器在约5分钟内返回，因此剩余时间都将用来重新装载推进剂并将飞船放置在助推器顶部。”
想要学会“筷子夹火箭”，有哪些技术难点？
不过，要学会“筷子夹火箭”，技术上难点还有很多。
数据显示，星舰的一子级超重助推（Spuer Heavey Booster）高71米，直径9米，推进剂容量有3400吨，总推力达到7590吨。航天驭星副总裁、总师曹梦告诉贝壳财经记者，最难的地方就是对超重助推返回的控制精度，“一个是位置的控制精度，一个是姿态的控制精度，要求都非常高。它通过两个很小的承力结构，把超重助推挂在了被马斯克称为‘机械哥斯拉’的发射塔抱臂上，做到这一点非常困难。”
星舰超重型火箭第一级回收至发射塔“机械哥斯拉”后，俯视视角实拍图。 来源：SpaceX官方视频截图
据了解，“超级重型”火箭在降落过程中先是要点燃9台“猛禽”发动机，其中6台在距离地面约800米时熄火关闭，剩余3台保持火箭垂直缓降状态。当火箭下降到约65米高度时，关闭其中2台发动机，保持缓慢下降状态。最后等待机械臂水平处在“超级重型”火箭约2/3的箭体位置时，火箭转入悬停，机械臂随即靠拢并将其捕获。这两条捕获机械臂长36米、高18米。
季海波对贝壳财经记者表示，相较于之前的垂直着陆腿回收，这种新型的回收方式的难点最主要体现在几个方面：一是对成功率要求更高，由于星舰地面发射设施极其庞大且昂贵，如果在回收的最后阶段出现失败甚至于爆炸，会对这些发射设施造成损坏从而造成大的损失。即使是几十次成功、一次失败也将损失巨大。
二是对控制的要求要更高一些，主要是着陆的精度要求更高，着陆腿回收方式水平着陆精度在10m以内都可以保证成功，而“筷子夹持”回收方案显然不行，至少要在1m以内。据SpaceX公司说本次可达0.5cm的精度，这个着陆精度是非常高的。三是地面发射回收装置的相关技术要求很高，在夹持缓冲、火箭和夹持装置的精确联动技术等都是难点和突破点。而夹持过程中的短暂悬停控制则是成熟技术。
“此外，火箭在飞行临近发射回收装置过程中的姿态也非常关键。如果姿态不好，发动机可能会对发射回收装置产生烧蚀损坏，同样会造成夹持回收失败。着陆腿回收只需要在着陆瞬间满足着陆位置、速度、姿态及角速度的高精度要求，但筷子这种新型回收方案，在火箭飞临发射回收塔附近、短暂悬停直至最终夹持成功整个时间段内，都需要满足位置、速度、姿态及角速度的高精度要求。”季海波说。
“‘筷子夹火箭’的技术难点一是需要非常高的控制精度，二是机器臂不仅需要很高的强度，同时具备缓冲减载减振能力，防止回收中火箭受损。”刘百奇补充道。
使用星舰，发射成本能够降到多低？
之前，星舰在第四次试飞中仅仅回收了星舰本体（即二级星舰飞船），而这次则回收了一级助推火箭，这将进一步降低发射成本。
“一级火箭回收对发射成本的降低在猎鹰9号上已经得到了充分的证明”，崔品告诉记者，“已经有多枚猎鹰火箭一级使用超过20次，每公斤载荷发射成本已经降到5000美元以下。而二级重复使用会进一步降低发射成本，另外星舰的运载能力大幅度提升（运载能力大约是猎鹰的4～5倍），也会大幅度降低发射成本。”
曹梦告诉记者，星舰的此次发射成功，对人类进入太空的成本是一个数量级的降低，而运载能力也是个数量级的提升，“以前人类进入空间的能力，以近地轨道为例，常态化运载能力大概就是20吨级，而星舰直接给提高到了200吨级。对于进入空间载荷单位质量的发射成本，在没有猎鹰9号之前大概是3万到5万美元/公斤，猎鹰9号将其降到了2000到5000美元/公斤，然后星舰进一步降低到200至400美元/公斤。”
“全重复使用和仅一子级重复使用来说相比，发生成本下限会极大降低。理论上如果可以无限次重复使用的话成本可以接近0（燃料费用占比极低）。据说星舰未来要将成本控制在几百万美元以内，这样的话，单位成本可以降低到每公斤100美元以内，这绝对是颠覆性的。”星际荣耀液体火箭总设计师季海波说。
在刘百奇看来，目前因为没有商业运营，还不好判断什么时间或者说重复使用多少次能降低到SpaceX所宣称的成本。但有一点需要理性认识，星舰成本的下降，一方面是完全重复使用，还有火箭规模巨大带来的单位发射价格下降，以及发动机、箭体结构的低成本制造，是多方面因素带来的。
星舰的成功颠覆了哪些传统认识，对我国有哪些借鉴意义？
从技术上看，星舰的成功也颠覆了航天的多项传统认识，“比如铝合金是航天的最优材料，火箭不能直接返回发射台（炸毁发射台的风险太大），几十台发动机一起点火的风险太大（难以全部点着）。这次飞行除了一级以全新的方式成功回收外，二级也完成了精准的回收着陆动作（未成功回收），并且全程直播，这种大空间范围，大速度范围的通信都是前所未有的，传统航天器返回过程中的“黑障”似乎也不再存在。总之，星舰的第五次飞行总体来说是航天领域的重大突破，为宇宙空间往返提供了一种全新的方式样板。”崔品告诉记者。
曹梦认为，进入空间的成本低且能力强了以后，对人类的生活方式以及整个航天产业发展会带来质的飞跃，尤其是在后续的卫星发射、太空旅游以及天地往返运输中，“以后也许我们所说的运载火箭，它不再是一个传统意义上大家理解的只能向太空中送人、送货、送卫星的工具，而是真正的变成能够自由实现天地往返的交通工具，既可以往轨道上运东西，也可以实现地球上任意两点之间，一小时内抵达。”
“后续星舰系统一子级、二子级将实现全部复用，马斯克的核心目标就是实现运载火箭发射的航班化，通过对回收后的运载火箭快速检修、集成、加注、装载，然后用很短的时间去执行下一次发射，跟飞机一样，将大幅降低人类进入空间的成本并提高效率。”曹梦说。
蓝箭航天朱雀三号火箭型号副总师董锴表示，从SpaceX液氧甲烷发动机研制到2019年“星虫”首跳，再到之后不锈钢贮箱试验、SN系列飞行试验、BN系列静态点火、IFT飞行试验，SpaceX开放度很高，蓝箭航天始终关注每一步进展，内部有专门的小组对此展开专门的分析，“针对这次飞行，首先是整体过程的姿态变化及最后的调整；其次是一子级飞行完成后，二子级在海上的降落过程也是我们关注的重点；另外，我们还关注了上次第四次飞行中挡板的破坏情况，以及这次飞行所加强的部分。这些对我们后续的设计和研发方案选择都是有借鉴意义的。”
值得注意的是，从首次发射星舰到本次成功上演“筷子夹火箭”回收，SpaceX的星舰项目一共进行了五次试验，其中前三次试验的结果都难言理想，火箭或在升空时爆炸，或在降落时解体，而马斯克对此的态度则颇为潇洒，在接受采访时直言，“如果发射失败了就当放烟花吧”。
在曹梦看来，SpaceX的研制模式对我国商业航天发展极其具有借鉴意义，“将成本及制造加工周期作为运载火箭总体设计的顶层约束，通过快速实现飞行验证对运载火箭这个复杂系统 ‘探底’，然后针对暴露出的问题再快速进行设计迭代。这种研制模式相较于传统航天通过大量时间详细论证分析以追求上天前在地面上解决所有问题的研制模式（全世界都是一样的），其实节约了成本与宝贵的时间。”
他告诉贝壳财经记者，最重要的是即便按照传统的研制模式，在地面上进行了充分的论证和验证，但由于飞行环境及过程仍然有太多细节地面根本无法模拟，所以导致了航天器进入空间后仍然避免不了会出各种各样的问题，“所以我觉得SpaceX这种‘以飞代试、快速迭代’的研制理念还是非常先进的，我们国家很多民营公司也在学习并尝试。”
“目前，针对整个行业的快速发射需求，国家已经有相关机构在牵头组织梳理相关的堵点和难点。航天发射是一项非常复杂的系统工程，涉及许多方面的问题，包括行业监管、任务组织和产业链上下游资源配置等。所以，可能还需要一些时间。”曹梦说。
“本次星舰发射有点像大航海时代，当麦哲伦完成环球航行，人们终于确信地球是圆的。上个世纪，美国的阿波罗登月计划虽然有些争议，但基本上被大家视为一项重大成果，这次飞行点燃了人们对于整个航天行业发展的热情和期待，整个产业发展将获得一个巨大的推动力。”董锴表示，“当前，国内商业航天与星舰的差距是非常明显的，我们还不敢说与星舰进行直接比较，还是那句话‘赶上并超越世界先进水平’，先赶上。目前短期内目标，是努力赶上猎鹰九号稳定发射和回收的水平。”
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新京报贝壳财经记者 罗亦丹
编辑 岳彩周
校对 陈荻雁