老马吹过的牛，又一次实现了。
01
SpaceX第一次用“筷子”夹住了火箭
北京时间2024年10月13日晚8时30分许，SpaceX发射了“星舰”火箭，这是其第五次试飞。此次试飞中，发射塔架上的机械臂（即“筷子”）成功捕获了一级超重型火箭助推器，完成了回收任务。
在星舰发射升空2分多钟后，一级超重型火箭与星舰分离，开始返回。距离星舰发射6分多钟后，第一级成功被发射塔架上的“筷子”机械臂夹住。这是SpaceX第一次尝试回收星舰的第一级。
从直播看，助推器成功二次点火反推，成功进入返回轨道发射塔被超级重型助推器的捕获，这意味着曾经被众多SpaceX吐槽的方案一次性获得了成功。这个“筷子塔”方案是在4年前被提出来的，本来只是用来区别使用支撑腿回收。
此前“星舰”已经完成了四次试飞。其中在6月6日的第四次试飞中，它基本上实现了所有预设项目的测试：“超级重型”火箭以垂直姿态在预定海面（墨西哥湾）悬停溅落，“星舰”飞船成功重返大气层，以垂直姿态在预定海面（印度洋）溅落成功。得益于遍布地球轨道的卫星互联网直播，人类还头一回亲眼目睹飞船重回地球时被等离子体环绕的景象。
02
从不被看好到打脸键盘侠
用“筷子”夹住火箭，即便是在SpaceX已经成功实践的今天，都让人觉得有些脑洞大开的意味。
事实上，当初SpaceX内部对于该方案的反对的声音也很大，不少工程师认为如果助推器返回发射塔时炸毁，那么很长一段时间都无法发射下一枚火箭，沿用猎鹰9号那样给助推器装几个腿才是正儿八经的事情。
而在第五次试飞中，最大的挑战来自“超级重型”火箭的全新回收方式。在最初的两次试飞中，“星舰”均因为失控而启动自毁装置；第三次试飞时，“超级重型”火箭完成返回点火，但着陆点火时姿态失控，没能完整落海；一直到第四次试飞才首次实现了在预定地点的成功减速、垂直下降、“海面软着陆”的全过程。SpaceX副总裁比尔·格尔斯腾迈尔透露，“超级重型”火箭在第四次海面软着陆的精度为0.5厘米，这为下一步的发射塔原位捕获火箭技术奠定了基础。
根据SpaceX的计划，第五次试飞将利用原位发射与回收技术，测试发射塔架机械臂捕获火箭的新回收模式。美国“太空”网站介绍称，SpaceX公布的演示视频显示，该火箭完成发射任务后将非常精准地返回发射地点，并逐步减速和降低高度，最后由发射塔架的机械臂将悬停状态的火箭在半空中抓住。
用于捕获助推器的机械臂名为“Mechazilla”，具有可开合和旋转的功能，其官方名称直译为“机械哥斯拉”，充满科幻色彩。这对机械臂均长36米、高18米，重量达到了700多吨，为成功捕获助推器提供了强大的支撑。
该方案落地除当初技术方面的诸多不确定性外，高昂的研发和试错成本对于一家商业火箭企业而言也是巨大的考验。
随着Mechazilla塔设计和建造过程的深入，其技术难度逐渐显现。火箭回收本身就是一个极具挑战性的任务，而Mechazilla塔需要确保在火箭返回时能够准确、稳定地夹住火箭，这要求极高的精度和可靠性。市场开始对这一技术的可行性产生质疑，并持观望态度。
SpaceX在推进Mechazilla塔等多个项目时面临着巨大的资金压力。虽然公司通过商业发射、卫星互联网等业务获得了一定的收入，但高昂的研发和建造成本仍然是一个不容忽视的问题。市场担心SpaceX是否能够持续投入足够的资金来支持Mechazilla塔等项目的顺利推进，好在最终取得了成功。
现在来看，SpaceX的Mechazilla塔技术是一种高度复杂的发射和回收系统，旨在提高火箭及其助推器的回收效率和安全性。Mechazilla塔高约145米（约440英尺），由钢结构构成，并配备了三个主要的机械臂。
Mechazilla塔的核心功能是捕捉、提升、堆叠和燃料注入。具体来说，它包括一个快速断开臂，主要用于在发射前给“星舰”加注燃料并保持火箭稳定。此外，还有两个巨大的机械臂，这些机械臂可以夹住返回地球的火箭助推器，并将其安全地引导到发射塔上。
Mechazilla塔的设计灵感来源于科幻作品中的巨型怪兽哥斯拉（Godzilla），因此得名。它的液压驱动机械臂能够在半空中夹住返回的火箭助推器，类似于使用“筷子”夹住火箭。这种设计不仅提高了火箭回收的成功率，还大大降低了回收过程中的风险和成本。
在实际操作中，Mechazilla塔已经在多次试飞中成功捕捉并回收了“星舰”飞船和超重型助推器。例如，在2024年10月的第五次试飞中，SpaceX首次尝试并成功实现了火箭助推器的着陆回收，这一操作被称为“筷子夹火箭”。
在火箭着陆的最后阶段，Mechazilla塔的机械臂需要精确控制，以确保火箭能够准确悬停在两根“筷子”之间。这一过程中，任何微小的偏差都可能导致回收失败。为了应对火箭着陆时的快速变化，Mechazilla塔的机械臂必须具备快速响应的能力，以便在火箭着陆的瞬间迅速夹住火箭。
此次回收成功标志着SpaceX向使“星舰”成为完全可重复使用的火箭系统目标迈出了重要一步。相比之前只能部分回收的猎鹰9号火箭，“星舰”的两个主要部分——星舰飞船本身和超重型助推器——都将实现完全回收。
当然，最最关键的说白了还是成本，无论“筷子夹火箭”技术多么难，控制多么精准，作为SpaceX可复用火箭落地的一环，其核心依旧是成本！
03
有望降低90％的发射成本
传统的火箭发射是一次性的，每次发射都需要制造全新的火箭，这导致了高昂的成本。而Mechazilla塔技术通过机械臂回收火箭助推器，使得火箭可以重复使用，从而大幅降低了发射成本。具体而言，猎鹰9号火箭实现一级火箭回收后，其发射成本从每公斤1万-2万美元骤减至约每公斤2000美元。
之所以能够如此大幅度地降低成本，在于Mechazilla塔技术很好地提高了资源利用率。
传统的火箭发射中，燃料费用相对较低，但火箭本身的价值却很高。通过 Mechazilla 塔技术，火箭助推器可以在着陆后进行检修和翻新，再次用于未来的发射任务，这样不仅节约了制造新火箭的成本，还提高了资源的利用效率。
传统的火箭发射方式类似于“坐一次性飞机”，每次发射都会造成大量资源的浪费。而 Mechazilla 塔技术通过回收和再利用火箭助推器，减少了资源的浪费，使得太空探索更加经济和可持续。
随着“筷子夹火箭”技术的成熟和广泛应用，SpaceX将能够更高效地回收火箭的各个部分，包括助推器、整流罩等。这将进一步提高火箭的可回收比例，减少新造火箭的需求，从而降低整体发射成本。同时，可回收火箭的重复使用意味着需要更少的燃料和推进剂来支持新的发射任务。这不仅减少了直接的材料成本，还减少了与燃料生产和运输相关的间接成本。
一旦SpaceX将该技术落地到星舰上，其成本优势会更为明显。对此马斯克曾表示过，单次发射成本仅约200万美元，这几乎是目前猎鹰9号发射成本的1/10不到。对应星舰100吨的低轨道运载能力，可以将每公斤有效载荷发射入轨成本降低到惊人的10美元！
而除降低发射设备外，缩短发射周期也是SpaceX Mechazilla塔技术的一大优势。传统上，火箭发射后需要较长的时间进行维护和准备才能再次发射。而Mechazilla塔则可以实现火箭的快速回收和再发射，从而缩短发射周期。
04
中美可重复火箭技术对比
在大国航天航空战略中，可重复火箭技术绝对是不可或缺的一环。
除降低火箭发射成本，推动商业航天的发展外，可重复使用火箭技术是实现人类大规模低成本进出空间的重要途径。它不仅能够支持当前的太空任务，还能为未来的深空探索和太空资源开发奠定基础，从月球基地到登录火星，可复用火箭可谓人类追逐星辰大海的希望。
目前全球可重复使用火箭技术格局呈现出多国竞争和快速发展的态势。美国在这一领域处于领先地位，特别是SpaceX公司通过猎鹰9号火箭实现了多次成功的一级火箭回收和重复使用，显著降低了发射成本，并推动了商业航天市场的发展。
猎鹰9号火箭自2015年首次成功回收一级火箭以来，已经多次实现重复使用，这不仅证明了其技术的可行性，还大幅降低了发射费用。
SpaceX公司之外，美国蓝色起源（Blue Origin）公司的“新格伦”火箭采用了多台液氧甲烷发动机并联的设计，旨在实现更高的运载能力和更好的重复使用性。该火箭的重复使用一子级同样采用垂直起降方案。目前“新格伦”火箭的全尺寸试验箭已经运抵发射台，开展地面验证活动，计划在未来几年内实现首飞。
除了以上两家外，火箭实验室（Rocket Lab）的“中子号”（Neutron）火箭采用了复合材料结构和重复使用一子级与整流罩一体化设计，计划实现垂直起降回收。相对论空间公司（Relativity Space）的“人族-R”（Terran-R）火箭也采用了可重复使用技术，但具体方案和技术细节尚未完全公布。
中国近年来在可重复火箭技术方面也取得了显著进展。多家中国企业和研究机构正致力于可重复火箭的研发，包括蓝箭航天、深蓝航天等。
其中，蓝箭航天的朱雀三号VTVL-1可重复使用火箭已经成功完成了十公里级垂直起降返回飞行试验，标志着中国商业航天在可重复使用火箭技术上取得了重大突破。此外，深蓝航天等初创公司也在积极推进相关技术的研发，并计划在未来几年内进行轨道发射。
不过我国在可重复火箭技术路径上尚未形成统一标准，但已有多种技术路径在并行研究和测试。例如，采用“降落伞+气囊”的方式回收、给火箭助推器装上可控翼伞实现滑翔降落以及类似SpaceX的垂直回收方式等。这些技术路径各有特点，但都需要进一步的技术验证和优化。
相对于回收技术方面的不断尝试，重复使用火箭在技术发展大方向上倒是一致的。
重复使用运载火箭遵循先一级重复使用后完全重复使用、多种回收方式并存但更倾向于动力垂直回收、火箭研制理念持续革新的发展途径。当前，技术与经济的现实限制使得完全重复使用火箭尚不可行，因此业界采取了先实现一级火箭重复使用的策略。
一级火箭重复使用不仅能有效降低发射成本，而且为末级火箭的回收提供了技术积累。动力垂直回收因其高着陆精度和对现有设计改动小，成为中大型火箭回收的主流方式。火箭设计也在经历革新，以适应全任务剖面和全生命周期的需求。
这包括在上升和返回段承受的复杂载荷工况、气动控制、热防护,以及多次使用的检测维护和疲劳载荷等因素。火箭设计需在满足性能的同时，兼顾可回收性和可维护性，特别是在大气层内飞行时，要优化气动外形和热防护系统，以应对更大的法向载荷和气动热效应。
而回到中美两国可复用火箭技术上，美国凭借早期的技术积累和持续的研发投入，已经形成了较为完善的可重复使用火箭生态系统。而中国虽然起步较晚，但通过快速的技术引进和自主研发，正在逐步缩小这一差距，并有望在未来实现重大突破。
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