近日，SpaceX公司在第五次發(fā)射前測試“星艦”最大、最危險(xiǎn)的機(jī)動動作，首次嘗試高風(fēng)險(xiǎn)的塔架接力。這種“筷子夾火箭”的回收方式到底有多難呢?

01

又快又輕，新思路助力回收

獵鷹9火箭著陸后，需要運(yùn)回火箭整修廠，翻新、更換、檢測眾多零部件，其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是整修著陸腿，而整修工作需要大量時間。從發(fā)射周期考慮，“星艦”回收采用了新思路——剔除著陸腿。這樣不僅能夠縮短周轉(zhuǎn)時間，還可以大大減輕質(zhì)量。如此一來，唯一選項(xiàng)就是采用抓取火箭的方式進(jìn)行回收。

星艦超重型助推器取消了著陸腿設(shè)計(jì)

在“星艦”第四次試飛后，馬斯克便確認(rèn)下一次試飛將進(jìn)一步提高難度，用發(fā)射塔的捕獲臂作為“筷子”，對超重型助推器進(jìn)行捕獲回收。

捕獲臂由兩個機(jī)械臂構(gòu)成，每個機(jī)械臂長36米，高18米，它們配合開展工作，從而接住超重型助推器或星艦飛船。捕獲臂通過塔底的超大型絞車系統(tǒng)驅(qū)動，可沿塔架上的軌道上下移動，同時通過液壓油缸的伸縮動作帶動機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)打開和合攏。

另外，為保持穩(wěn)定，機(jī)械臂安裝了液壓緩沖機(jī)構(gòu)，用于在提升或回收助推器和星艦飛船時，承載分散一部分沖擊力。其前端距勤務(wù)塔固定處約34.8米，接駁臺面(與柵格翼接觸的部位)長約20米，以適應(yīng)助推器回收降落位置的偏差。

為避免因抓取失誤而砸壞發(fā)射架，助推器不直接降落在發(fā)射架上方，而是降落在發(fā)射架的側(cè)面。因此發(fā)射塔回收助推器時，捕獲臂將旋轉(zhuǎn)到發(fā)射架的另一側(cè)。助推器著陸時將使用9臺發(fā)動機(jī)，在距離地面大約800米處關(guān)閉6臺發(fā)動機(jī)，剩余3臺發(fā)動機(jī)將使助推器保持垂直姿態(tài)。

在距離地面大約65米的高度，將再關(guān)閉2臺發(fā)動機(jī)。當(dāng)助推器的2/3落到機(jī)械臂之下時，助推器懸停，機(jī)械臂靠攏。機(jī)械臂將通過助推器柵格翼下突出的托握點(diǎn)和兩側(cè)的輔助穩(wěn)定插口穩(wěn)定助推器。最后機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，將助推器放置到發(fā)射架上。

這種火箭回收方式只需在發(fā)射平臺進(jìn)行燃料補(bǔ)給和小修，即可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)發(fā)射。SpaceX公司希望通過這套新型著陸回收系統(tǒng)，縮減星艦飛船發(fā)射周期，降低發(fā)射成本，加快發(fā)射速度，從而實(shí)現(xiàn)星際移民。

02

三大“攔路虎”：準(zhǔn)、強(qiáng)、穩(wěn)

要想實(shí)現(xiàn)塔架抓取回收，還面臨著三大“攔路虎”。

SpaceX公司通過夾住樣品來測試塔臂功能

其一，塔架抓取回收需要被回收航天器具有極高的控制精度。與獵鷹9火箭相比，超重型助推器的一大優(yōu)勢是懸停能力，其配有33臺猛禽發(fā)動機(jī)，可選的動力組合更加豐富，更容易將推重比穩(wěn)定在1。這意味著超重型助推器可以在發(fā)射塔上保持懸停，并且有足夠的時間調(diào)整飛行路徑。

其二，與抓取機(jī)械臂對接的承重點(diǎn)需開展詳細(xì)的載荷分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保其具有足夠的強(qiáng)度。通過公開的照片可以看出，在近期“星艦”團(tuán)隊(duì)開展的空中捕獲助推器測試中，助推器測試件的外殼與機(jī)械臂接觸部位出現(xiàn)了破壞。

這表明用機(jī)械臂抓取火箭存在很大風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)械臂要在短時間內(nèi)接近火箭并精準(zhǔn)抓取，這對機(jī)械臂的精度要求極高。而且受到風(fēng)力等因素的影響，實(shí)際操作環(huán)境可能會更加復(fù)雜。一旦箭體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，將大大降低發(fā)射效率，違背了“筷子夾火箭”的初衷。

其三，需通過機(jī)械臂上的減載、減振裝置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定回收，避免重大整修。通過公開信息可知，“星艦”發(fā)射塔上的抓取機(jī)械臂安裝了液壓緩沖機(jī)構(gòu)，用于在提升或回收助推器和星艦飛船時，承載分散一部分沖擊力，保持助推器穩(wěn)定。液壓減震系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期效果，也是回收任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

“筷子夾火箭”的回收方式雖然優(yōu)勢眾多，但也面臨著重重挑戰(zhàn)。如果未來這種新型地面著陸回收系統(tǒng)能夠成功發(fā)揮作用，將是地面支持技術(shù)的一大突破。