本文转自：中国电子报
让“筷子”机械臂夹住火箭助推器实现重型火箭第一级回收——这个三年前还是人们眼中的“疯狂”设想，最近被SpaceX首席执行官埃隆·马斯克变成了现实。
日前，SpaceX新一代重型运载火箭“星舰”第五次试飞取得重要突破——第一级火箭“超重”助推器首次实现“筷子”机械臂捕获回收，第二级火箭“星舰”飞船在海面成功垂直溅落，向着两级全回收复用的终极目标坚实地推进了一大步。本次试飞成功后，马斯克在社交平台X（原推特）发文称：“当我提出这个观点时，人们都以为我疯了，但我们会把它弄好的。”
“SpaceX正以其快速迭代的研发和制造能力，为全人类航天事业发展趟出一条新路。”航天领域专家向《中国电子报》记者表示，自此，未来完全可重复使用重型火箭的发展方向有了明确目标，对我国商业航天发展具有重要借鉴意义。
“筷子夹火箭”利于快速重复利用
北京时间10月13日20时25分，星舰火箭从位于美国得克萨斯州博卡奇卡的基地发射升空。约7分钟后，经过多次减速、略带倾斜的“超级重型”助推器，在半空中被发射塔架伸出的两条“筷子”机械臂牢牢夹住，从直播画面上看，如同“千里穿针”。另一边，星舰飞船在进入大气层后开始出现火光，最终成功垂直溅落在印度洋水面。
根据马斯克的设想，星舰的设计目标是将人和货物送至地球轨道、月球乃至火星。该火箭总长约120米，直径约9米，是迄今为止世界上体积最大、推力最强的运载火箭。火箭由两部分组成，第一级是长约70米的“超级重型”助推器，第二级是“星舰”飞船，两级均设计为可重复使用。本次试飞的主要目的，就是令星舰飞船进入大气层后返回地球着陆在印度洋水域，并首次尝试回收助推器。
记者注意到，此前许多商业火箭公司在进行相关火箭的发射试验时均采用垂直起降，即让火箭回到地面。这些火箭通常自带着陆腿，在一定程度上增加了箭体重量，还会消耗更多用于运输任务载荷的推进剂。
“‘筷子夹火箭’展现了火箭用着陆腿以外另一种回收方式的可行性。”蓝箭航天朱雀三号火箭型号副总师董锴在接受《中国电子报》记者采访时表示，这种快速回收方式最直接的好处，就是减轻了着陆腿部分的重量，对于提升火箭运载效率大有好处。
“采用着陆腿方案，着陆后需要再次将火箭吊装、拆除着陆腿、运输到发射场并再次吊装到星舰发射台上，还要再次进行和星舰的对接总装。特别是星舰助推器很大，吊装运输都不易。采用‘筷子夹火箭’回收方案后，上述流程完全简化了，有利于快速重复利用。”星际荣耀液体火箭总设计师季海波表示。
然而，难度可类比“千里穿针”的“筷子夹火箭”，也存在着一些缺点和风险。
一方面该方案对超重助推返回的精度（位置和姿态）控制要求苛刻。火箭朝“筷子”机械臂移动时，允许的相对位置和距离的误差范围不像在陆地上回收那么大。另一方面是失败风险大。星舰火箭体格庞大，“筷子”机械臂捕获回收一旦失败，轻则砸坏发射台，重则偏航损伤其他设施，直接造成的经济损失和后续发射进度延误均难以估量。
“快速失败、快速学习”节约了成本和时间
从2019年星舰第一次“星虫试跳”，到2023年4月首次实验性发射，再到最近第五次试飞星舰第一级回收成功，星舰仅用5年时间，一再突破人们对商业航天发展的想象。业内专家认为，虽然星舰本次试飞尚未实现严格意义上的入轨，但基本具备了轨道发射能力，距离完全复用运载器仅“一步之遥”。
回顾SpaceX整个火箭回收的研发历程，自2009年研制猎鹰9号火箭时，该公司就定下了重复使用的目标。经过十几年来不断的回收尝试，猎鹰9号第一级已经成功回收近300次。正是基于坚实的技术基础，SpaceX在研制新一代重型运载火箭星舰时，才能实现返厂回收的一次成功。
记者了解到，以往传统航天器的研发，遵循稳健谨慎原则，力求一次成功。而SpaceX则坚持“快速失败、快速学习”的迭代测试策略。此前，星舰经历了4次轨道试飞，前3次均未达到预期目标。即便如此，马斯克及其团队也会在试飞结束后发文庆祝，表示当次试飞为下一次的测试发射提供了宝贵的数据与经验教训。
SpaceX的垂直整合模式，是支撑其快速迭代的关键。SpaceX拥有自己的生产和测试设施，能够快速制造新的原型机。此外，公司内部工程师团队高度协作，决策流程简化，加快了研发进度。这种高效的资源整合和团队协作，大大缩短了研发周期。
在航天驭星副总裁曹梦看来，SpaceX的研制模式对我国商业航天发展极其具有借鉴意义。“将成本及制造加工周期作为运载火箭总体设计的顶层约束，通过快速实现飞行验证对运载火箭这个复杂系统‘探底’，然后针对暴露出的问题再快速进行设计迭代。这种研制模式相较于传统航天通过大量时间详细论证分析以追求上天前在地面上解决所有问题的研制模式，其实节约了成本与宝贵的时间。”曹梦说道。
此外，制造能力也是快速解决问题的关键。董锴坦言，在商业航天领域，研发设计固然重要，但制造更是重中之重。设计是“0”到“1”，而制造则是“1”到“10”，只有强大的制造能力，才能支撑快速迭代。
以蓝箭航天为例，董锴告诉记者，该公司从创立之初便考虑如何提高制造能力，并进行了相应的产能布局，包括对不锈钢等材料的选择、对整个测发流程的不断优化，以及针对地面试验能力持续扩充产能。
我国火箭回收项目正有序展开
马斯克对星舰火箭的最终理想是——让火箭像民航飞机一样重复使用，着陆后仅需简单检查，即可重新加注推进剂并再次发射，一天内可执行两次甚至更多次发射。实现这一愿景的前提，是要尽可能地降低发射成本。
“以前人类进入空间的能力，以近地轨道为例，常态化运载能力大概就是20吨级，而星舰直接提高到了200吨级。对于进入空间载荷单位质量的发射成本，在没有猎鹰9号之前大概是3万美元/公斤至5万美元/公斤，猎鹰9号将其降到了2000美元/公斤至5000美元/公斤，然后星舰进一步降低到200美元/公斤至400美元/公斤。”曹梦告诉记者。
记者了解到，作为成功案例，星舰是商业航天企业的效仿对象，而我国火箭回收项目也正有序展开。
蓝箭航天的可重复使用液氧甲烷运载火箭——朱雀三号，已于今年1月完成可重复使用火箭垂直返回技术首次飞行试验；9月11日完成了10公里级垂直起降返回飞行试验。
此外，星际荣耀的双曲线二号、中科宇航的力箭二号、星河动力的智神星一号以及天兵科技的天龙三号等可重复使用火箭也在按计划攻克各项关键技术。其中，星际荣耀旗下双曲线二号验证型火箭（SQX-2Y）已在2023年11月、12月完成两次垂直发射、垂直回收飞行试验；天兵科技于6月23日完成10公里及垂直起降试验。
星舰试射成功也提醒中国商业航天企业，要在竞争中脱颖而出，中国商业航天企业还需不断加强技术创新，提高核心竞争力。
“总体来看差距还是非常明显的，我们的短期目标是先努力赶上SpaceX猎鹰九号稳定发射和回收的水平。”据董锴透露，蓝箭航天正通过轻质不锈钢、全流量发动机等技术创新，实现制造对设计的快速响应、快速验证，形成追赶的基础。如果顺利地话，蓝箭航天计划从明年开始，进行朱雀三号的三次飞行，期望在三次飞行内能够实现一子级的回收。
星际荣耀、天兵科技等中国商业火箭企业也计划于2025年起实施“入轨+回收”试验。