科技日报记者 胡定坤
2020年12月30日，当“星舰”（Starship）还在研究阶段、距离发射还很遥远时，就有人在社交媒体上询问SpaceX创始人马斯克，星舰的超重型助推器是否会像“猎鹰9”火箭助推器一样着陆。马斯克回复说，我们将用发射塔机械臂抓住它。
当时，不少人觉得这一想法过于“天马行空”。“星舰”的超重型助推器高度约70米，直径达到9米，用什么机械臂才能抓到这么个飞行中的大家伙？
现在，答案已经揭晓。北京时间10月13日晚上8时25分，“星舰”火箭第五次试飞发射。约7分钟后，其超重型助推器成功穿越大气层、返回发射塔，被两个机械臂牢牢夹住。星舰飞船则成功入轨并在印度洋再入溅落。SpaceX几乎完美实现了马斯克当初的计划。
可是，为何一定要夹住返回的助推器？让它落到海里，或者效仿“猎鹰9”火箭落在着陆台上，不是更简单吗？
“万向推力”发动机精确悬停
在名为“Mechazilla”的巨大“星舰”发射塔上，有3个机械臂：一个是“快速断开臂”，主要用于给“星舰”加注燃料并在发射前保持火箭稳定；另外两个则被用于捕捉火箭。这两个机械臂长达36米，被马斯克比作一双“筷子”，它们被安装在超重型绞车上，绞车由巨型电机驱动，可以在发射塔上下移动。
根据此次试飞的记录，“星舰”助推器在着陆最后阶段、距离地面约2000米时，同时启动13台发动机制动减速。这些发动机具备“万向推力”能力，即喷嘴可以旋转调节方向，以控制助推器姿态和飞行轨迹。待降落到一定高度后，外围发动机关闭，中心位置的3台继续工作，使助推器进一步减速并几乎垂直落在两根“筷子”中间。在距离地面约几十米高度时，助推器在发射塔前垂直悬停。几秒钟内，“筷子”微微移动并牢牢抓住助推器栅格翼下方的销钉，发动机关机。
事实上，与其将该过程称为“筷子夹火箭”，不如叫作“把火箭停在筷子上”。其技术难度并不在于机械臂的灵巧或强大，而是在于如何将庞大的助推器精确悬停在两根“筷子”之间，稍有偏差就会砸在“筷子”上。
就在此次试飞几天前，SpaceX负责建造和飞行可靠性的副总裁比尔·格斯滕迈尔介绍，在今年6月“星舰”的第四次试飞中，其助推器在海面的着陆精度达到半厘米。据报道，“猎鹰9”火箭助推器的降落精度则为米级。
据专门刊发SpaceX新闻的“特斯拉空间”网站报道，“星舰”助推器着陆精度更高的一个很有趣的原因可能是，相比发动机推力，“猎鹰9”助推器重量过轻，不容易控制，就像一个空箱子，轻轻一推就飞出很远，而“星舰”助推器则足够重，反而可以控制得更精确。当然，“星舰”更先进的“万向推力”发动机也可能发挥了关键作用。
航天工程技术上的突破
在“星舰”火箭研制之初，SpaceX就提出了“快速重复使用”的概念，即对助推器实现快速回收、加注和再发射。该公司曾提出在一天之内，使用同一个助推器发射3次的目标。而在2019年，马斯克曾表示，一个“星舰”助推器一天可发射20次，也就是一个小时左右发射一次。
要实现这一目标，使助推器落回发射塔，就地检修、加注和再发射几乎是唯一的选择。即使是在发射塔附近的着陆台降落，如此巨大的火箭助推器，必然需要更为庞大的起重机、运输车等设备进行吊装和运输，才能将其送到发射塔等待发射。这一过程耗时恐怕都要以小时计。降落在海里的打捞、清洗和运输则更为复杂。
那么，为何不能直接在发射台地面上着陆，而是要采用看起来更复杂的“筷子夹火箭”模式？
答案就是呈细长圆柱状的火箭助推器要在地面上着陆，必须安装着陆支架，以防止助推器在着陆时因振动而倾倒。但支架会增加火箭重量，消耗更多燃料，马斯克曾解释说，不用支架可以减少“星舰”重量和成本。
同样关键的是，SpaceX现有技术、也就是“猎鹰9”助推器上的着陆支架是“一次性”的，每次着陆后都要检修和翻新。据“特斯拉空间”报道，对“猎鹰9”来说，由于其以液氧煤油为燃料，两次发射间需要彻底清洗发动机，同时换一个着陆支架不会消耗额外时间。“星舰”则以液氧甲烷为燃料，简单维护即可再发射，更换支架会导致时间浪费。
总之，即使是在世界范围内，“筷子夹火箭”也堪称是一种航天工程技术上的突破。无论是对SpaceX，还是对马斯克来说，他们都朝着理想又迈出了重要一步。试飞成功后，马斯克在社交媒体上说：“如果未来30年人类文明保持相对稳定，火星上将建成一座自给自足、拥有100万人口的新城市。”
这又是一个“天马行空”的想法，还是能够成为现实，恐怕只能到时候才知道。
