“星艦”試飛上演“筷子夾火箭”場(chǎng)景,旨在快速重復(fù)利用助推器

2024-10-15 01:35:00 來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào) 點(diǎn)擊數(shù):

科技日?qǐng)?bào)記者 胡定坤

2020年12月30日,當(dāng)“星艦”(Starship)還在研究階段、距離發(fā)射還很遙遠(yuǎn)時(shí),就有人在社交媒體上詢問(wèn)SpaceX創(chuàng)始人馬斯克,星艦的超重型助推器是否會(huì)像“獵鷹9”火箭助推器一樣著陸。馬斯克回復(fù)說(shuō),我們將用發(fā)射塔機(jī)械臂抓住它。

當(dāng)時(shí),不少人覺(jué)得這一想法過(guò)于“天馬行空”?!靶桥灐钡某匦椭破鞲叨燃s70米,直徑達(dá)到9米,用什么機(jī)械臂才能抓到這么個(gè)飛行中的大家伙?

現(xiàn)在,答案已經(jīng)揭曉。北京時(shí)間10月13日晚上8時(shí)25分,“星艦”火箭第五次試飛發(fā)射。約7分鐘后,其超重型助推器成功穿越大氣層、返回發(fā)射塔,被兩個(gè)機(jī)械臂牢牢夾住。星艦飛船則成功入軌并在印度洋再入濺落。SpaceX幾乎完美實(shí)現(xiàn)了馬斯克當(dāng)初的計(jì)劃。

可是,為何一定要夾住返回的助推器?讓它落到海里,或者效仿“獵鷹9”火箭落在著陸臺(tái)上,不是更簡(jiǎn)單嗎?

“萬(wàn)向推力”發(fā)動(dòng)機(jī)精確懸停

在名為“Mechazilla”的巨大“星艦”發(fā)射塔上,有3個(gè)機(jī)械臂:一個(gè)是“快速斷開(kāi)臂”,主要用于給“星艦”加注燃料并在發(fā)射前保持火箭穩(wěn)定;另外兩個(gè)則被用于捕捉火箭。這兩個(gè)機(jī)械臂長(zhǎng)達(dá)36米,被馬斯克比作一雙“筷子”,它們被安裝在超重型絞車上,絞車由巨型電機(jī)驅(qū)動(dòng),可以在發(fā)射塔上下移動(dòng)。

根據(jù)此次試飛的記錄,“星艦”助推器在著陸最后階段、距離地面約2000米時(shí),同時(shí)啟動(dòng)13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速。這些發(fā)動(dòng)機(jī)具備“萬(wàn)向推力”能力,即噴嘴可以旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)方向,以控制助推器姿態(tài)和飛行軌跡。待降落到一定高度后,外圍發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉,中心位置的3臺(tái)繼續(xù)工作,使助推器進(jìn)一步減速并幾乎垂直落在兩根“筷子”中間。在距離地面約幾十米高度時(shí),助推器在發(fā)射塔前垂直懸停。幾秒鐘內(nèi),“筷子”微微移動(dòng)并牢牢抓住助推器柵格翼下方的銷釘,發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。

事實(shí)上,與其將該過(guò)程稱為“筷子夾火箭”,不如叫作“把火箭停在筷子上”。其技術(shù)難度并不在于機(jī)械臂的靈巧或強(qiáng)大,而是在于如何將龐大的助推器精確懸停在兩根“筷子”之間,稍有偏差就會(huì)砸在“筷子”上。

就在此次試飛幾天前,SpaceX負(fù)責(zé)建造和飛行可靠性的副總裁比爾·格斯滕邁爾介紹,在今年6月“星艦”的第四次試飛中,其助推器在海面的著陸精度達(dá)到半厘米。據(jù)報(bào)道,“獵鷹9”火箭助推器的降落精度則為米級(jí)。

據(jù)專門刊發(fā)SpaceX新聞的“特斯拉空間”網(wǎng)站報(bào)道,“星艦”助推器著陸精度更高的一個(gè)很有趣的原因可能是,相比發(fā)動(dòng)機(jī)推力,“獵鷹9”助推器重量過(guò)輕,不容易控制,就像一個(gè)空箱子,輕輕一推就飛出很遠(yuǎn),而“星艦”助推器則足夠重,反而可以控制得更精確。當(dāng)然,“星艦”更先進(jìn)的“萬(wàn)向推力”發(fā)動(dòng)機(jī)也可能發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

航天工程技術(shù)上的突破

在“星艦”火箭研制之初,SpaceX就提出了“快速重復(fù)使用”的概念,即對(duì)助推器實(shí)現(xiàn)快速回收、加注和再發(fā)射。該公司曾提出在一天之內(nèi),使用同一個(gè)助推器發(fā)射3次的目標(biāo)。而在2019年,馬斯克曾表示,一個(gè)“星艦”助推器一天可發(fā)射20次,也就是一個(gè)小時(shí)左右發(fā)射一次。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),使助推器落回發(fā)射塔,就地檢修、加注和再發(fā)射幾乎是唯一的選擇。即使是在發(fā)射塔附近的著陸臺(tái)降落,如此巨大的火箭助推器,必然需要更為龐大的起重機(jī)、運(yùn)輸車等設(shè)備進(jìn)行吊裝和運(yùn)輸,才能將其送到發(fā)射塔等待發(fā)射。這一過(guò)程耗時(shí)恐怕都要以小時(shí)計(jì)。降落在海里的打撈、清洗和運(yùn)輸則更為復(fù)雜。

那么,為何不能直接在發(fā)射臺(tái)地面上著陸,而是要采用看起來(lái)更復(fù)雜的“筷子夾火箭”模式?

答案就是呈細(xì)長(zhǎng)圓柱狀的火箭助推器要在地面上著陸,必須安裝著陸支架,以防止助推器在著陸時(shí)因振動(dòng)而傾倒。但支架會(huì)增加火箭重量,消耗更多燃料,馬斯克曾解釋說(shuō),不用支架可以減少“星艦”重量和成本。

同樣關(guān)鍵的是,SpaceX現(xiàn)有技術(shù)、也就是“獵鷹9”助推器上的著陸支架是“一次性”的,每次著陸后都要檢修和翻新。據(jù)“特斯拉空間”報(bào)道,對(duì)“獵鷹9”來(lái)說(shuō),由于其以液氧煤油為燃料,兩次發(fā)射間需要徹底清洗發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)換一個(gè)著陸支架不會(huì)消耗額外時(shí)間。“星艦”則以液氧甲烷為燃料,簡(jiǎn)單維護(hù)即可再發(fā)射,更換支架會(huì)導(dǎo)致時(shí)間浪費(fèi)。

總之,即使是在世界范圍內(nèi),“筷子夾火箭”也堪稱是一種航天工程技術(shù)上的突破。無(wú)論是對(duì)SpaceX,還是對(duì)馬斯克來(lái)說(shuō),他們都朝著理想又邁出了重要一步。試飛成功后,馬斯克在社交媒體上說(shuō):“如果未來(lái)30年人類文明保持相對(duì)穩(wěn)定,火星上將建成一座自給自足、擁有100萬(wàn)人口的新城市。”

這又是一個(gè)“天馬行空”的想法,還是能夠成為現(xiàn)實(shí),恐怕只能到時(shí)候才知道。

責(zé)任編輯:常麗君

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