“星艦”試飛上演“筷子夾火箭”場景

2020年12月30日，當“星艦”還在研究階段、距離發射還很遙遠時，就有人在社交媒體上詢問SpaceX創始人馬斯克，“星艦”的超重型助推器是否會像“獵鷹9”火箭助推器一樣着陸。馬斯克回覆說，我們將用發射塔機械臂抓住它。

當時，不少人覺得這一想法“天馬行空”。“星艦”的超重型助推器高度約70米，直徑達到9米，用什麼機械臂才能抓到這麼個飛行中的大傢伙？

現在，答案已經揭曉。北京時間10月13日晚上8時25分，“星艦”火箭第五次試飛發射。約7分鐘後，其超重型助推器成功穿越大氣層、返回發射塔，被兩個機械臂（被馬斯克比作“筷子”）牢牢夾住，幾乎完美實現了馬斯克當初的計劃。

可是，爲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”火箭落在着陸臺上，不是更簡單嗎？

“萬向推力”發動機精確懸停

根據此次試飛的記錄，“星艦”助推器在着陸最後階段、距離地面約2000米時，同時啓動13臺發動機制動減速。這些發動機具備“萬向推力”能力，即噴嘴可以旋轉調節方向，以控制助推器姿態和飛行軌跡。待降落到一定高度後，外圍發動機關閉，中心位置的3臺繼續工作，使助推器進一步減速並幾乎垂直落在兩根“筷子”中間。在距離地面約幾十米高度時，助推器在發射塔前垂直懸停。幾秒鐘內，“筷子”微微移動並牢牢抓住助推器柵格翼下方的銷釘，發動機關機。

該過程技術難度並不在於機械臂的靈巧或強大，而是在於如何將龐大的助推器精確懸停在兩根“筷子”之間，稍有偏差就會砸在“筷子”上。

據報道，“星艦”助推器着陸精度更高的一個原因可能是其助推器足夠重，可以控制得更精確。當然，先進的“萬向推力”發動機也可能發揮了關鍵作用。

航天工程技術上的突破

在2019年，馬斯克曾表示，一個“星艦”助推器一天可發射20次，也就是一個小時左右發射一次。

要實現這一目標，使助推器落回發射塔，就地檢修、加註和再發射幾乎是唯一的選擇。即使是在發射塔附近的着陸臺降落，如此巨大的火箭助推器，必然需要更爲龐大的起重機、運輸車等設備進行吊裝和運輸。這一過程耗時恐怕都要以小時計。而降落在海里的打撈、清洗和運輸則更爲複雜。

那麼，爲何不能直接在發射臺地面上着陸，而是要採用看起來更復雜的“筷子夾火箭”模式？

答案就是呈細長圓柱狀的火箭助推器要在地面上着陸，必須安裝着陸支架，以防止助推器在着陸時因振動而傾倒。但支架會增加火箭重量，消耗更多燃料，馬斯克曾解釋說，不用支架可以減少“星艦”重量和成本。

同樣關鍵的是，“獵鷹9”助推器上的着陸支架是“一次性”的，每次着陸後都要檢修和翻新。對“獵鷹9”來說，由於其以液氧煤油爲燃料，兩次發射間需要徹底清洗發動機，同時段換一個着陸支架不會消耗額外時間。而“星艦”則以液氧甲烷爲燃料，簡單維護即可再發射，若更換支架會導致時間浪費。

總之，即使是在世界範圍內，“筷子夾火箭”也堪稱是一種航天工程技術上的突破。無論是對SpaceX，還是對馬斯克來說，他們都朝着理想又邁出了重要一步。