重型运载火箭星舰系统即将迎来回收复用的关键测试!

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“星舰”/“超级重型”（S30/B12）运载火箭

预计最早在北京时间2024年10月13日20:00（美国中部夏令时13日09:00）,在美国德克萨斯州博卡奇卡发射场 OLP-1工位，“星舰”/“超级重型”（S30/B12）运载火箭将执行无载荷测试发射任务，火箭二级（星舰）计划进入地球亚轨道。本次发射将是星舰/超级重型（或称星舰系统）的第5次测试飞行，计划取得新突破！

世界重型火箭的首次超高空垂直回收

即将进行的“星舰”/“超级重型”（Starship/SuperHeavy）第5次测试飞行（Integrated Flight Test 5，IFT-5）将与今年6月进行的第四次任务类似，二级“星舰”将进入亚轨道飞行，目标是在印度洋溅落。不同的是一级“超级重型”将实施返场回收，采用发射塔架双机械臂抓取回收，并放置于发射平台上，这将是世界重型火箭的首次超高空垂直回收（超高空指的是高度大于15千米的空域）。



“星舰”/“超级重型”（S30/B12）运载火箭

“超级重型”的回收着陆测试将是第5次测试飞行的最大挑战之一，也将是本次飞行的最大看点之一。在人类历史上，还从未实现重型火箭超高空垂直回收。

难度之一在于需要高精度“打靶”。在“猎鹰”系列火箭以地面场坪为着陆平台的返场回收中，火箭芯一级模块瞄准场坪中心点“打靶”，允许存在一定程度的偏差，采用机械臂抓取回收则不一样，一级“超级重型”需要进入机械臂展开的扇形区域，需要火箭级段进行更精准的飞行控制，容错率更低，偏差稍大就可能造成“塔毁箭亡”。

难度之二在于瞬时抓住300吨巨箭。一级“超级重型”在返回的最后阶段，推进剂消耗殆尽，其箭体干质量达到约300吨，加上下降过程剩余的动能，机械臂需要在瞬间承受远超300吨的载荷。在抓得住的同时，要抓力适度，抓得过紧容易损坏箭体，过松则箭体容易跌落。



在“超级重型”返回和抓取尝试之前，必须满足数千个不同的运载火箭和发射平台标准，在飞行任务过程中将依据“超级重型”和发射塔架上的健康管理系统监测结果以及任务飞行主管的手动指令来决定是否执行返场回收。如果不能满足这些条件，“超级重型”将溅落于墨西哥湾。不过，在“星舰”系统第4次测试飞行中，“星舰”系统火箭级段溅落海面已达到半厘米的精度，所以，有理由相信本次任务一级“超级重型”有较大的机会能精准的落回发射塔架。

实现一级“超级重型”的机械臂抓取回收是“星舰”系统应用的关键一步。发射塔机械臂既是回收装置又是起重装置，其在回收“超级重型”的同时还能较快的移动该火箭级段以便快速维护复用，这是星舰航班化发射所必需的。同时，这也是“星舰”系统执行近地轨道以外发射任务所必需的，以“阿尔忒弥斯”计划载人着陆系统（Human Landing System ，HLS）为例，以星舰为原型的载人着陆系统需要在近地轨道快速多次补加推进剂，这就需要“超级重型”具备快速周转能力，机械臂抓取回收则是支持该能力的关键一环。

急需突破推进剂在轨加注技术

“星舰”系统是世界航天史上第一型完全可重复使用运载火箭，一级、二级、载荷舱和整流罩全部实现可重复使用。不同于传统运载火箭，其二级与载荷舱、整流罩进行了舱箭一体化设计，这有点背离了分级火箭理论，使得在整个任务过程中二级“星舰”一直保留了传统火箭末级所配备的动力系统、箭体系统、控制系统等“死重”，这就导致“星舰”系统只能执行近地轨道（LEO）任务。如果要执行地球中高轨和深空任务就必须在近地轨道补加推进剂，比如即将到来的“阿尔忒弥斯”计划载人着陆系统（HLS）“星舰”任务。



“星舰”系统第3次试飞二级画面

在“阿尔忒弥斯3号”（Artemis 3）任务中，载人着陆系统（HLS）“星舰”将作为航天员往返月表和“门户”月轨空间站的航天器。而要飞往38万千米外的月球，“星舰”必须突破近地轨道补加推进剂所需的空间交会对接技术和推进剂在轨转移技术，后者面临着较大的技术难度。“星舰”在太空中机动时推进剂贮箱中的推进剂会出现晃动，航天器对接后需要“沉降推力”（“settling thrust”）来使推进剂沉底，以确保推进剂能在航天器之间转移。



HLS“星舰”推进剂转移试验任务说明

预计在2025年将进行“星舰”在轨转移推进剂试验。在该任务中，一艘“目标”星舰将首先发射入轨，然后在三到四周后发射另一艘“追踪”星舰。两艘航天器将会实现对接，“追踪”飞行器将向“目标”飞行器转移推进剂。试验结束后，两艘“星舰”将脱离轨道。目前，该计划已经通过了飞行系统审查。

由于“星舰”本身自重过大以及低温推进剂的挥发和漏损，“星舰”单次任务能够运送的推进剂比重并不高，在探月任务中单次任务预计需要16次推进剂补加，这就需要“星舰”连续快速的执行大量的发射任务。

在转移推进剂试验之后，将进行载人着陆系统“星舰”的无人试验任务，包括为航天器加注推进剂并将其送往月球着陆。该任务还将包括“上升试验”，以验证“星舰”可以从月球表面升空。

“星舰”/“超级重型”（S30/B12）运载火箭

“阿尔忒弥斯3号”任务最早将在2026年9月实施，留给“星舰”的时间已不到2年。为此，太空探索技术公司正在加速推进“星舰”系统研制试飞，本年度，“星舰”系统已完成2次测试飞行。在即将实施的第5次测试飞行中，“超级重型”抓取回收试验是原计划第6次测试飞行的内容，一旦成功，会将“星舰”项目进度向前推进一大步。

对于世界航天而言，“星舰”系统无疑是一个划时代的运载火箭项目，首次将运载火箭的起飞量级提升到了5000吨级，首次将运载火箭近地轨道运力提升至200吨级，首次将廉价的甲烷燃料大规模用于大型及重型运载火箭，首次采用全不锈钢箭体。而其完全可重复使用则将运载火箭的应用提升到了一个新水平，相较于过去将出现极廉价的太空运输，这将推动人类进出太空的活动规模呈现几何级数的增长。

作者：木兰星舟