SpaceX用「筷子臂」夾住返回火箭，建造火星城市難度不小

北京時間2024年10月13日晚，SpaceX的星艦完成第五次試飛。

這不是第一次試飛，也不是第一次成功，為什麼還是獲得了廣泛的關注？

一方面當然是SpaceX自身的流量體質，但更重要的是，這是首次回收可重複使用的助推器。

星艦是兩級完全可重複使用的超重型運載火箭，由超重型助推器和飛船部分組成。根據SpaceX的設想，試圖將這兩個部分都回收並重復使用，在運載能力方面，可將100至150噸的載荷送入近地軌道。第五次試飛是首次對超重型助推器進行回收，SpaceX設計了一個類似筷子夾取的回收系統，當超重型助推器精確返回后，由兩個機械臂在半空中將其抓住，飛船部分則濺落到印度洋。

圖1：代號B12的星艦超重助推器返回（圖片來源：SpaceX）

2021年，編號為SN15的飛船部分已完成垂直起飛和降落測試，所以到目前為止，超重型助推器和飛船部分都已經單獨完成垂直降落。

在本次試飛中，雖然助推器成功完成了回收，但星艦的飛船部分再入大氣層時，高温等離子體侵入翼面轉軸處，出現局部燒穿。所以不能算是一起完成了回收。

因此，對SpaceX而言，下一步則是讓星艦發射后，超重型助推器和飛船部分都能在星艦基地完成軟着陸。

圖2：編號為SN15的飛船部分在發射后返回地面圖片來源：SpaceX

「大力出奇跡」，星艦在加滿燃料的情況下，起飛重量大約5000噸，使用33台猛禽發動機，比阿波羅登月任務使用的土星五號還要龐大。

圖3：星艦超重助推器使用33台猛禽發動機（圖片來源：SpaceX）

根據SpaceX的設想，星艦的主要用途是將人類送往火星，依託其強大的運載能力和重複使用能力，在火星上建造定居點。爲了滿足行星際運輸的要求，星艦的飛船部分內部體積設計得很大，有效載荷艙的高度為17米左右，直徑為8米，容積達到了1000立方米，比國際空間站的加壓區容積還要大，能夠多裝多運。

星艦在發射后，超重型助推器返回發射工位，飛船部分則進入太空，除了部署衞星和行星際運輸外，還能夠在地外天體上着陸。為此，SpaceX還專門為飛船部分設計了着陸裝置，推出登陸地外天體的星艦版本，可在月球表面、火星表面着陸、起飛。

從中可以看出，可重複使用要求下的垂直軟着陸模式，在地外天體表面就形成了先天優勢，能夠在火星、月球上自主垂直降落。這與我們傳統觀念中對返回艙、軌道艙的認識有較大的不同。

從阿波羅登月開始，在月球等天體上着陸，航天器大致由軌道艙和着陸艙兩個部分，軌道艙負責空間飛行，着陸艙負責登陸，兩者是分開的。比如阿波羅11號的指令艙在月球軌道上運行，鷹號登月艙負責登月。歐洲空間局登陸格拉希門克彗星的羅塞塔號探測器也是如此，登陸艙在彗星表面實施軟着陸，軌道艙則繼續環繞運行。

星艦飛船則是一個整體，集成了再入大氣層返回、軟着陸、軌道運行等多種任務角色，並不存在軌道艙和着陸艙等可分離的組件，即便在地外天體上軟着陸，也是以整體的形式。

圖4：阿波羅登月的多艙模式與星艦整體式軟着陸對比 （圖片來源：SpaceX、NASA）

由於超重型助推器的重量太大，內裝33台猛禽發動機，返回質量達到200多噸，所以SpaceX提出了集成塔回收方案，並非獵鷹9號所使用的着陸腿支撐。集成塔回收是一種全新的火箭回收方式，特點在於能夠回收返回質量較大的助推器。目前已有的發射臺稱為OLP-A，正在建造的發射臺為OLP-B，每座發射臺均配備發射架和集成塔，發射架的作用是在發射時為火箭箭體提供支撐，集成塔可輔助固定箭體。

集成塔的主要結構是兩個巨大的「筷子臂」，在發射之前，可協助星艦垂直安裝，當星艦發射后，集成塔轉變角色，變成回收裝置。使用「筷子臂」回收，可減少超重助推器的磨損，縮短助推器翻新周期。

圖5：集成塔的主要結構是兩個巨大的「筷子臂」 （圖片來源：SpaceX）

由於星艦運載系統不斷成熟，直接影響到了美國宇航局的載人登月計劃。

SpaceX與NASA簽訂了載人着陸系統的建造合同，為阿爾忒彌斯三號和四號任務提供着陸系統。可以認為，星艦已經作為阿爾忒彌斯計劃的一部分，參與到重返月球任務中。

2019年，美國宇航局提出阿爾忒彌斯計劃，試圖在2024年載人登月。隨着時間的推移，美國宇航局發現2024年無法達到登月條件，將時間推迟到2026年9月之后。

星艦任務的進展對阿爾忒彌斯計劃起到了推動作用，美國載人航天出現了重大變革。原先由獵户座飛船和太空發射系統組成的運載體系，開始被打破並升級，加入了星艦的存在。

在星艦出現之前，美國登月計劃主要策略是複製阿波羅登月的硬件，由洛馬公司建造登月艙，將宇航員送上月球表面。隨着星艦項目的推進，可以説，美國宇航局的登月任務已經押寶星艦。根據阿爾忒彌斯三號的規劃，由獵户座飛船將4名宇航員送入軌道與星艦對接，兩名宇航員乘坐星艦登月，還有兩名宇航員留在獵户座飛船上。

不過，目前用於登月的獵户座飛船狀態不佳，年初時被發現飛船上的生命支持系統閥門出現故障，阿爾忒彌斯計劃能否按時實施，目前看是個巨大的問題。

圖6：獵户座載人飛船生命支持系統的閥門被發現故障 （圖片來源：NASA）

本次星艦第五次試飛，完成了超重助推器的回收，顯然這個里程碑對於阿爾忒彌斯計劃而言，是個利好消息。但是，阿爾忒彌斯計劃仍然存在更多的不確定性，比如星艦需要安裝着陸腿、獵户座飛船能否承擔載人轉移的重任，都可能導致阿爾忒彌斯計劃被進一步推迟。

這也就不難理解，美國宇航局為何在2023年8月宣佈，將原定載人登月的阿爾忒彌斯三號任務，更改為繞月任務。這足以看出美國在載人登月整體進度方面，仍然處於較為混亂的狀態，獵户座飛船整體性能仍然不夠穩定，星艦目前還處於迭代試飛中，原定的2026年9月左右的登月時間極有可能被進一步推迟。

圖7：洛克希德馬丁公司公佈的登月艙設想 （圖片來源：NASA）

換個角度看，美國傳統的航天企業，比如波音、洛馬，在阿爾忒彌斯計劃中並沒有展現出中流砥柱的作用，獵户座飛船甚至出現隔熱罩丟失碳層碎片的離奇失誤，由波音、諾格等研發的太空發射系統（SLS運載火箭）除了因技術問題多次推迟外，還面臨發射成本嚴重超支的問題。白宮預算辦公室給出的評估文件稱，SLS火箭每次發射成本超過20億美元，波音公司仍然未找到降低發射成本的有效方法。星艦在短時間內達到多個試飛里程碑，反倒是給阿爾忒彌斯計劃注入了一些可能性。

星艦之所以在設計上突出超強的運載能力，主要是因為其任務目的所致。它的目標是將人類送往火星。

按照SpaceX的説法，要在2050年之前將100萬人送上火星，建立一個火星城市。按照這個目標計算，需要建造1000艘星艦飛船，以每26個月一次的發射窗口向火星運輸人員和物資。

至少在目前看來，這個計劃仍然有些超出我們的想象。畢竟當前狀態的星艦也僅僅完成了第一次超重助推器的回收。即便解決了星艦的問題，前往火星仍然存在較大的難度。

圖8：SpaceX的星艦登月想象圖，登月型號的星艦需要安裝着陸腿

（圖片來源：SpaceX）

1、心理問題。

從地球飛往火星，需要半年左右的時間，人類長時間在封閉空間中生活，可能出現普遍性的心理問題，導致情緒訓練也是太空飛行任務的關鍵。

2、身體問題。

研究發現，微重力環境可能損害細胞結構、導致免疫紊亂、影響中樞神經系統和骨骼組織等，甚至增加致癌風險，可能產生空間適應綜合症，對人體構成深遠的影響。移民火星的人員還面臨晝夜節律改變、睡眠障礙等問題困擾。此外，長時間在地球與火星之間進行空間飛行，以及在火星表面生活，還需要考慮到空間輻射的問題。美國宇航局的相關研究指出，登陸火星的宇航員受到的平均輻射是國際空間站的3倍以上，是地球表面的200多倍。

圖9：SpaceX設想中的火星城市（圖片來源：SpaceX）

3、改造火星的問題。

SpaceX在2024年提出建造火星城市的設想，馬斯克認為就地取材是建立火星城市的關鍵，預計在未來7到9年內開始這個領域的研究。所謂的就地取材，就是利用火星上現有的物質，包括使用火星大氣中的氮氣和微量的氧氣進行生產活動。但是要維持一個百萬人口的城市，目前SpaceX也沒有比較可行的方案，更不用説火星城市還能面臨的社會問題等。

客觀來説，本次星艦完成第五次試飛，對星艦項目而言，是個巨大的里程碑。但從SpaceX建造火星城市的角度看，目前還仍然處於起步階段，后續還需要攻克一系列目前看似無解的難題。

參考文獻：

[1] 太空探索對宇航員心理健康的負擔：敍述性評論

[2] Wikipedia：SpaceX星際飛船

[3] 「Mechazilla」是什麼？在半空中接住巨大星際飛船火箭的巨臂

[4] 星際飛船面臨月球任務性能不足的問題

[5] 太空輻射對中樞神經系統的風險

出品：科普中國作者：川陀太空（科普創作者）監製：中國科普博覽