星舰探索：人类首次用筷子夹火箭挑战星际之门

潮新闻客户端 执笔 屠晨昕

6月6日，“星舰”第四飞首次实现海面软着陆。图源：IC PHOTO

北京时间10月13日晚上20时30分许，人类航天史上首次“筷子夹火箭”的大戏终于上演了。

有史以来最大的运载火箭——太空探索技术公司SpaceX“星舰”的第五次测试飞行，从美国得克萨斯州点火升空。

据环球网报道，直播画面显示，火箭第一级——超重助推器，在发射后约7分钟时，在一座高约145米的塔架完成“历史性着陆”。塔架上的一对巨型机械臂，如同筷子夹鸡肉一般，“夹住”将近300吨重的箭体。

这恐怕是航天史上最惊险的动作之一，稍有不慎就会放一个“大烟花”。人类首次使用如此大胆的方式回收航天器，成为星舰第五飞的最大看点。

马斯克2019年分享的艺术渲染图：“星舰”降落于月球基地。图源：IC PHOTO

在科幻巨作《三体》中，当今人类的化学能火箭飞向深空被形容为“划着独木舟横跨大洋”，是“痴人说梦”。伊隆・马斯克就像划着独木舟横跨大洋的“痴人”。他要把化学能火箭的潜力压榨到极致，想把人类历史快进到移民火星这一集。

在他的火星移民蓝图中，“星舰”将拥有今天人们难以想象的效率——巨大的运载能力、惊人的数量和发射频次，以及极低的价格，以实现“100万人去火星”。这仰赖于三大关键技术的“王炸组合”——

箭体材料，用的是你手里保温杯的不锈钢；烧的燃料，是你家煤气灶每天在烧的甲烷；而回收火箭、重复使用，就像你用筷子夹菜。

低成本、大规模进入太空，是人类一直孜孜以求的梦想。如此“接地气”的航天器，真的能为我们叩开通向月球和火星的“星际之门”吗？

王炸之一：“筷子”回收

“垂直反推返回、塔架机械臂回收，是星舰系统未来实现快速回收、快速发射的关键一步。”浙江大学航空航天学院王慧泉教授告诉潮新闻记者。

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。

图源：@北京科协

2021年8月，马斯克发推称：“SpaceX将尝试用机器人筷子捕捉史上最大的飞行物体……就像用筷子夹小块儿寿司。”同年10月28日，Mechazilla 进行了首次测试。

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。

据王慧泉解析，“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。

图源：中国航天科技集团公司

事实上，中国航天的“脑洞”也不遑多让。在2022年2月17日于北京举行的近地轨道载人航天发展展望与合作国际研讨会上，航天科技一院展示了新一代载人运载火箭芯一级回收方案，采用绳网吊挂回收装置令人耳目一新。通过数条活动的系绳，在火箭下降时把火箭吊挂住，实现软着陆。这一方案的容错度明显比“筷子回收”更大，不过能否快速复用尚有待观察。

“筷子夹火箭”和“绳子挂火箭”，究竟哪个逆天脑洞能帮助人类飞向“星辰大海”，我们拭目以待。

2021年12月，得州博卡奇卡的“星舰”原型机。图源：IC PHOTO

王炸之二：不锈钢造火箭

“不锈钢最大的缺点就一个字：重。但优点有很多，强度高，耐高温耐低温，而且极其便宜。”国际宇航联空间运输委员会主席杨宇光对记者说。

据测算，再入大气层时星舰飞船表面有20%暴露在1470℃高温下，还有20%最高温是1300多℃，其余表面最高温低于1176℃，堪称“鬼门关”。304不锈钢熔点通常在1400℃上下，比目前任何主流箭体材料都要耐高温，“星舰”还有1.5万多块隔热瓦，能经受1648℃高温，而不锈钢也可以扛一扛。马斯克本来想在“星舰飞船”用碳纤维，但是碳纤维抗高温不行，就大胆改成不锈钢。

太空里更多是极寒环境，不锈钢即使在零下160℃也能保持延展性和强度，在平均温度零下63℃的火星表面游刃有余。更神奇的是，不锈钢在低温下强度会提高50%，甚至高于铝锂合金，添加铬镍的不锈钢还会增加12-18%的延展性，比碳纤维还坚固。

然后就是廉价，不锈钢简直太便宜了。家里的高压锅、保温杯、橱柜……生活中随处可见。

（我国正在研发中的不锈钢火箭朱雀三号。视频来源：蓝箭航天）

在马斯克最关心的价格方面，他算过一笔账——用碳纤维造火箭，每公斤成本超135美元，同时碳纤维有35%的损耗，因此每公斤要花200美元；铝合金也要每公斤三四十美元；用301不锈钢造同样的火箭，每公斤才3美元！

这还没完，碳纤维制造工艺复杂，技术人员时薪250美元，而焊接不锈钢板的焊工时薪不到50美元。马斯克曾说，NASA的SLS重型火箭花费的钱，够“星舰”炸100次。

“太重的确是个很大缺陷，因为航空航天材料都追求一个‘轻’字，为减重每一克而奋斗。”杨宇光介绍，“箭体太重，推力又不变，能带的燃料和货物就少了。”

因此，想要采用不锈钢造箭体，必须有前提条件。“发动机必须够优秀。‘星舰’的‘猛禽’全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机，做得个子小、推力大、比冲又高，弥补了不锈钢在重量上带来的损失。”杨宇光说。

另外一点，如果火箭做得特别大，也可以部分弥补不锈钢太重的缺点。换言之，就主打一个“大力出奇迹”，这也正是“星舰”的设计思路。

不过杨宇光强调，我们不能单纯以为“星舰”就是“傻大黑粗”，其实“星舰”的不锈钢箭体非常有技术含量，“它做得非常薄，又大又薄又耐压，背后的材料技术和加工水平都非常高”。

2023年4月20日“星舰”首次发射虽然失败了，但在天上翻滚了好久才解体，恰恰说明其不锈钢箭体的强度相当大。

而采用“筷子回收”方式的承力点在中部，对箭体强度要求很高，不锈钢材料同样能发挥优势。

2022年12月14日，朱雀二号遥一火箭在酒泉发射瞬间。图源：央视新闻

王炸之三：烧甲烷

2023年7月12日，蓝箭航天的朱雀二号火箭抢在“星舰”前面，成为全球第一枚成功发射入轨的液氧甲烷火箭。而“星舰”的“猛禽”则是世界上技术最先进、推力最大的液氧甲烷发动机。

根据燃料不同，火箭可分为固体火箭和液体火箭。航天发射主流是液体火箭，当前主要是液氢液氧、液氧煤油、液氧甲烷三种。在《中国航天》执行主编张京男眼里，液氧甲烷是当前火箭发动机的最终状态。

为什么是甲烷（CH4）？因为太香了。“液氧甲烷是目前可复用火箭最理想的动力，没有之一，而火箭的复用代表着人类航天未来发展方向。”王慧泉扳着手指给记者一条条分析。

第一，液氧甲烷推进效率不错，理论比冲达390秒，仅次于氢氧动力。简单科普一下，比冲指1公斤燃料推动1公斤重量能维持的时间，是火箭发动机的头号性能指标。

第二，燃烧结焦少，发射后管子更干净，修复比煤油发动机省事省钱多了，使得回收后在塔架上加油、检修后直接再次发射成为可能。这一点最适合大规模、高频次回收重复使用。

第三，能量密度低于液氢但高于煤油，发动机喷口直径小，结合“泵后摆”技术能大幅减小发动机体积和重量，能在箭体里塞下更多发动机，大大增强火箭推力。

第四，极其便宜，甲烷遍地都是，可以用你家天天在烧的天然气提纯获取，每公斤成本才5块钱，是液氢的1/100！也不到煤油的一半，堪称“白菜价”。

此外，甲烷还有储存方便、所需氧化剂少、可在外星获取、无毒无污染等优点。

3月14日，星舰三飞。图源：IC PHOTO

蓝箭航天首席执行官张昌武认为，选择液氧甲烷是历史的必然。“为了适应未来星际旅行，需要更经济、更适合回收的推进剂，大家不约而同地选择了甲烷。”

据航天科技11所大推力发动机总体研究室副主任张晓光透露，我国在2000年启动研制甲烷发动机，200吨液氧甲烷发动机将用于中国重型火箭的芯一级和二级上，综合性能指标与“猛禽”相当。

太空旅行：普通人还要等

在SpaceX的“星舰”蓝图里，未来将完全回收一二级，同时每台发动机理论上可复用50次。最终目标是发射成本只剩下燃料、测控维修等杂费，将每公斤载荷发射成本降到10美元的极低水平，让普通人都能圆太空梦。目前我们距离这一步还有多远？

杨宇光坦言：前景不明朗。他举了航天飞机的例子，来证明“理想丰满，现实骨感”。

洛杉矶加利福尼亚科学中心展出的“奋进”号航天飞机。图源：IC PHOTO

“航天飞机就是入轨级可重复使用，但为此付出了极大的代价。”据杨宇光介绍，航天飞机全系统起飞重量达2000多吨，如果是常规构型的运载火箭，低轨运力至少能有六七十吨，但是航天飞机的运力只有29吨。付出那么多代价，第一是为了能载人，第二是为了能回来，能重复使用。

航天飞机每次回来还都要做非常复杂的检修，它的每块隔热瓦形状都不同，难以标准化量产。“星舰”好一点，大多数防热瓦形状是一样的，但靠近顶部以及升降翼面的防热瓦也不一样，要更换这些必然带来时间和人才成本。“因为技术过于激进，首先能不能成功还要打个问号；即便完全复用在实践中成功了，最终是不是省钱也不好说。”

尤其是未来“星舰”要计划载人飞行，安全将会是更大的难关。航天飞机只是载7个人，在135次飞行中就炸了两次（1986年的“挑战者”号和2003年的“哥伦比亚”号），共有14名航天员遇难。“星舰”一方面要极致地压缩成本，另一方面要一次运载100人，万一发生一次严重事故，基本可以肯定这100人都无法生还，这对于“星舰”计划带来的冲击是难以想象的。

载人航天的安全要求有多严格？杨宇光举了个例子：SpaceX本想在载人“龙”飞船上使用火箭反推着陆，但被NASA和FAA（美国联邦航空管理局）给否决了，还是担心反推太不安全，要求SpaceX改回降落伞减速着陆。

首艘载人“龙”飞船。图源：IC PHOTO

“‘龙’飞船外形非常短粗，其8台发动机只需4台工作就能着陆，就这样美国官方都不允许。‘星舰’二子级可比‘龙’飞船要细长得多，稍微一歪就可能倒、可能炸，风险太大，至今只成功回收过一次。不载人也就算了，载人的话，官方怎么可能开绿灯？”杨宇光提醒，“星舰”载人的二子级要想重复使用，其唯一的着陆方式就是火箭反推，因为其空重达120吨，这远远超出了降落伞的承重极限。如果管理部门不允许，那么“星舰”载人飞行也只是空中楼阁。

杨宇光进一步指出，“星舰”事实上不太适合送人送货到月球、火星，最适合它的工作是绕着地球转，比如发射卫星到近地轨道。

“因为发射深空载荷需要更高的速度，只有级数多，速度才能加上去。比如‘土星五号’是三级火箭，N1更达到了五级；再比如，发射‘天问一号’火星探测器的长征五号基本型是两级半，专门发射空间站的长征五号B就是一级半。”杨宇光认为，“星舰”为了百分百可重复使用，选择了两极构型，对于近地轨道是合算、高效的，但对于深空运输来说效率却是极低的。

叩开星门：需要全人类勠力同心

目前，我国可重复使用火箭也已呼之欲出。

今年6月23日和9月11日，两家中国公司成功完成了十公里级火箭垂直起降试验，分别是航天科技集团八院和蓝箭航天。此外，据航天专栏作家陈蓝观察，中国还有四家公司实现了低空回收，四家公司实现了系绳或航发驱动飞行及回收。

事实上，规划有可回收火箭的中国公司不止以上10家，还有天兵科技、东方空间、空天引擎、箭元科技等也在摩拳擦掌，预计不久也会加入回收试验俱乐部。

“实事求是地说，在航天技术重大创新方面，SpaceX依然领先。”陈蓝说，“在目前阶段采用跟随战略是完全正确的，它可以让人们避开许多别人踩过的坑，少走弯路，提高效率。没有必要重复发明轮子。”

毕竟，迈向“星辰大海”征途漫漫，不是一个国家可以独立完成的，需要世界各国的勠力同心。人类也只能一步一个脚印、摸索着艰难前行，携手在群星之间，共同谱写人类命运共同体的全新篇章。

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