星舰成功实施第五次轨道试飞 SpaceX成功实现发射塔机械臂回收火箭2020年12月30日,当“星舰”还处于研究阶段,距离发射还很远的时候,有人在社交平台上问SpaceX创始人马斯克,“星舰”的重型推进器是否会像“猎鹰9”火箭助推器一样着陆。马斯克回答说,我们会用发射塔的机械臂抓住它。
当时很多人觉得这个想法“异想天开”。“星舰”的重型推进器高度约70米,直径9米。这样的飞行中的每个人都可以用什么样的机械臂抓住?
现在,答案已经公布。北京时间10月13日晚8时25分,“星舰”火箭第五次试飞发射。大约7分钟后,它的重型推进器成功穿越大气层,回到发射塔,被两个机械臂牢牢抓住(被马斯克比作“木筷子”),几乎完美地完成了马斯克最初的计划。
可是,为什么一定要夹住返回的推进器呢?难道不是更容易让它掉进海里,或者模仿“猎鹰9”火箭掉到落地台上吗?星舰成功实施第五次轨道试飞 SpaceX成功实现发射塔机械臂回收火箭
精确悬停“万向推力”发动机
根据试飞记录,当“星舰”推进器着陆最后阶段距离地面约2000米时,同时启动13台发动机制动器减速。这些发动机具有“万向推力”的能力,即喷嘴可以转动和调整方向,以控制推进器的姿势和飞行轨迹。降落到一定高度后,外围发动机关闭,中心位置的三个发动机继续工作,使推进器进一步减速,几乎垂直落在两根“木筷子”之间。当推进器在距离地面约几十米的高度垂直悬停在发射塔前。几秒钟内,“木筷子”稍微移动并牢牢抓住推进器格栅格栅。
这个过程的技术难度不在于机械臂的灵巧或力量,而在于如何在两根“木筷子”之间准确悬挂巨大的推进器,稍有差异就会砸在“木筷子”上。星舰成功实施第五次轨道试飞 SpaceX成功实现发射塔机械臂回收火箭
据报道,“星舰”推进器降落精度更高的原因之一可能是推进器足够重,可以更准确地控制。当然,先进的“万向推力”发动机也可能起到关键作用。
航空航天工程技术突破
2019年,马斯克曾经说过,一艘“星舰”推进器每天可以发射20次,即每小时发射一次。
为了实现这个目标,使推进器回落到发射塔,几乎是当地维护、加注和再发射的唯一选择。即使在发射塔附近的着陆平台上着陆,如此巨大的火箭助推器也必须需要更大的起重机、运输车辆和其他系统来吊装和运输。恐怕这个过程需要一个小时。海上着陆的打捞、清洗和运输更加复杂。星舰成功实施第五次轨道试飞 SpaceX成功实现发射塔机械臂回收火箭
所以,为什么不能直接从发射台地上着陆,而要选择看起来更复杂的“筷子夹火箭”方法?
答案是细长圆柱形的火箭助推器必须在地面上安装着陆支架,以避免推进器在着陆时因振动而倾倒。然而,支架会增加火箭的重量,消耗更多的燃料。马斯克曾解释说,“星舰”的重量和成本可以在没有支架的情况下降低。
同样重要的是,“猎鹰9”推进器上的着陆支架是“一次性”的,每次着陆后都要进行维护和翻新。对于“猎鹰9”来说,由于其以液氧煤油为燃料,发动机需要在两次发射之间彻底清洗,同时更换着陆支架不会消耗额外的时间。另一方面,“星舰”使用液氧甲烷作为燃料,可以通过简单的维护重新发射。如果更换支架,会浪费时间。
总之,即使在全球范围内,“筷子夹火箭”也是航天工程技术的突破。无论是对于SpaceX还是对于马斯克来说,他们都迈出了理想的重要一步。
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