“星舰”首次成功回收!“筷子夹火箭”难在哪?

科技   2024-10-15 18:52   北京  

美国东部时间13日上午8时30分许(北京时间13日晚8时30分许),美国太空探索技术公司(SpaceX)新一代重型运载火箭“星舰”进行第五次试射。该公司表示,发射塔的机械臂(这两个金属臂被外界称为“筷子”)成功夹住了返回地面的超级重型火箭(Super Heavy)。“筷子夹火箭”被评价为航天工程技术上的突破。


▲图片来源:SpaceX社交媒体













01

什么是“筷子夹火箭”?

当日,“星舰”发射升空,约两分钟后,一级“超重”火箭与星舰分离,开始返回。发射6分多钟后,该助推器成功悬挂在两个巨大的金属臂之间。这种全新的火箭回收模式成为本次试飞最大的看点。

据悉,在名为“Mechazilla”的巨大“星舰”发射塔上,有三个机械臂。一个是“快速断开臂”,主要用于给“星舰”加注燃料并在发射前保持火箭稳定。另外两个长达36米的机械臂则用于捕捉火箭,被比作一双“筷子”,它们被安装在超重型绞车上,绞车由巨型电机驱动,可以在发射塔上下移动。


根据此次试飞的记录,“星舰”助推器在着陆的最后阶段、距离地面约2000米时,同时启动13台发动机制动减速,这些发动机具备“万向推力”能力,即喷嘴可以旋转调节方向,以控制助推器姿态和飞行轨迹。


待降落到一定高度后,外围发动机关闭,中心位置的3台继续工作使助推器进一步减速并几乎垂直落在两根“筷子”中间。在距离地面约几十米高度时,助推器在发射塔前垂直悬停。几秒钟内,“筷子”微微移动并牢牢抓住助推器栅格翼下方的销钉,发动机关机。


事实上,与其称该过程为“筷子夹火箭”,不如将其叫作“把火箭停在筷子上”。其技术难度并不在于机械臂的灵巧或强大,而是在于如何将庞大的助推器精确悬停在两根“筷子”之间,稍有偏差就会砸在“筷子”上。

02

“筷子夹火箭”旨在快速重复利用

在“星舰”火箭研制之初,SpaceX就提出了“快速重复使用”的概念,即对助推器实现快速回收、加注和再发射。该公司曾提出在一天之内,使用同一个助推器发射三次的目标。

要实现这一目标,使助推器落回发射塔,就地检修、加注和再发射几乎是唯一的选择。即使是在发射塔附近的着陆台降落,如此巨大的火箭助推器,必然需要更为庞大的起重机、运输车等设备进行吊装和运输,才能将其送到发射塔等待发射。这一过程耗时恐怕都要以小时计。降落在海里的打捞、清洗和运输则更为复杂。


同样关键的是,SpaceX现有技术、也就是“猎鹰9”助推器上的着陆支架是“一次性”的,每次着陆后都要检修和翻新。对“猎鹰9”来说,由于其以液氧煤油为燃料,两次发射间需要彻底清洗发动机,同时换一个着陆支架不会消耗额外时间。“星舰”则以液氧甲烷为燃料,简单维护即再发射,更换支架会导致时间浪费。

03

“筷子夹火箭”有多难

用来抓住“星舰”的塔架被叫做Mechazilla,直译过来为“机械哥斯拉”。两个机械臂均为长36米、高18米,承重达700多吨。

与采用四条折叠腿直接着陆的猎鹰9号火箭不同,SpaceX从一开始就没有给超重助推器和星舰飞船设计着陆支架。


据浙江大学航空航天学院王慧泉教授解析,“筷子回收”主要有两方面好处——

首先,回收时在空中就让火箭挂在机械臂上,然后直接把一二级火箭堆叠在一起。马上就能加注燃料、简单检修,然后就能直接再次发射,极大加快了重复使用的速度。


而猎鹰9号火箭就麻烦多了,着陆后要运回工厂翻新、更换、检测众多零部件。此外,“星舰”的甲烷发动机在燃烧后几乎无残留,而猎鹰9号的煤油发动机却有大量结焦、积碳需要清洗,必须返厂。


其次,省去了着陆支架,火箭有效载荷大大增加,就能装更多人、货物和燃料。


“不过,要想实现塔架抓取回收,还面临着三大‘拦路虎’。”王慧泉提醒道。


第一,准。塔架回收需要极高的精度,从视频看,连箭体上的承力点都要对齐机械臂,差一点就可能功亏一篑,甚至碰撞爆炸。


第二,强。需要箭体承力点有足够强度。万一“筷子”把火箭“夹”坏了,就没法重复使用了。


第三,稳。两根“筷子”必须有强大的缓冲减震能力,能轻柔地把箭体接住,最大可能地减少冲击力。

04

前四次试飞回顾

“星舰”火箭总长约120米,直径约9米,由两部分组成,第一级是长约70米的“超级重型”助推器,第二级是“星舰”飞船,两级均可重复使用。该火箭的设计目标是将人和货物送至地球轨道、月球乃至火星。

“星舰”目前已进行四次轨道试飞。


2023年4月首次试飞时,火箭在第一、二级分离前爆炸。


2023年11月第二次试飞时,火箭第一、二级成功分离,但随后助推器和飞船先后爆炸。


2024年3月第三次试飞时,火箭第一、二级成功分离,但助推器在尝试着陆点火后意外解体,飞船再入大气层时失联。


在2024年6月6日的第四次试飞中,“星舰”基本上完成了所有预设项目的测试:“超重”火箭成功实现可控软溅落,星舰飞船的襟翼虽然在返回地球期间出现吸热瓦片受损的状况,但也算是成功在印度洋溅落。


来源:环球网、科技日报、中国商报、中国经济网
转载自北京科技报公众号





推荐阅读




联想创投
联想集团旗下的全球科技产业基金,专注于面向未来的科技产业投资,已投出上百家优秀企业,包括美团点评、宁德时代、蔚来汽车、旷视科技等;同时还孵化出拥有全球18亿用户的茄子快传,以及联想大数据、平安联想智慧医疗等10家优质子公司和创新业务。
 最新文章