马斯克创造历史“筷子”成功夹住火箭!

        北京时间10月13日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，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。
        对此，马斯克发文称，“今天向实现多行星生命迈出了一大步。”在马斯克的火星移民蓝图中，“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，是你家燃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记者。
        用来抓住“星舰”的塔架被叫作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。
        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。
        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。
        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。
        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。
        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”技术能大幅度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。
        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。”
        综合潮新闻、界面新闻、澎湃新闻
        相关链接
        “筷子夹火箭”有何意义？
        美专家：发射成本将以天文数字的速度下降
        当地时间10月14日，美国空军高级航空航天研究学院教授温迪·科布接受澳大利亚广播公司采访时说，“星舰成功被‘筷子’回收，意味着发射成本将以天文数字的速度下降。”
        据悉，星舰是迄今全球体积最大、推力最强的运载火箭。据SpaceX公司介绍，星舰配备了多台“猛禽”发动机，总高度约120米，直径约9米，火箭由两部分组成，分别是一级助推器“超重型推进器”(Superheavy)和二级飞船“星舰”(Starship)。
        星舰发射成功，对于人类航天史具有革命性意义，它能够一次性将100多吨物品送入轨道。星舰也是一枚完全可重复使用的火箭，将大大降低太空活动成本，助力马斯克实现“火星梦”。
        按照计划，星舰可以在地月轨道之间执行长期飞行任务，同时在火星任务中作为货船和载人太空船等。该火箭计划将代替大部分的猎鹰9号、猎鹰重型运载火箭以及龙飞船任务。
        今年9月，马斯克发文称，计划在下一个探测火星的发射窗口期进行星舰不载人探测火星任务。此次任务将验证飞船完整着陆火星的可靠性。如果着陆顺利，计划四年内进行星舰的首次载人探测火星任务。