2024年10月13日，美国太空探索技术公司（SpaceX）在得克萨斯州博卡奇卡基地成功实施了“超重助推/星舰组合体（IFT-5）”（以下简称“星舰”）的第五次试飞。这次试飞取得了重要突破，第一级火箭“超重”助推器首次实现“筷子”机械臂捕获回收，第二级火箭“星舰”飞船实现了在海面的低速垂直溅落，标志着SpaceX在“星舰”完全可重复使用目标的道路上迈出重要一步。
SpaceX以其快速迭代的研发模式，正在推动航天技术的革命性发展，对未来航天产业发挥着重塑和引领作用。未来两年，“星舰”还将开展超过5次的试飞改进发射任务。尽管如此，“星舰”要实现2026年美国载人登月的预期目标，仍面临诸多挑战。
SpaceX在“星舰”的第五次试飞中成功回收了“超重”助推器B12。图片来源：SpaceX
“千里穿针”SpaceX目前的“猎鹰9号”火箭一级回收方式，需要在海上着陆后，由工作人员固定火箭，经过数天至十几天的运输才能返回港口。到达港口后，还需使用吊机起吊、转运，收拢或拆卸着陆腿，才能进入厂房开始翻修。这一过程不仅延长了火箭的翻修周期，而且火箭上携带的着陆腿在发射阶段也是不必要的负重，降低了效率。
马斯克的最终目标是让火箭像民航飞机一样重复使用，着陆后仅需简单检查即可重新加注推进剂并再次发射，甚至一天内执行多次发射。为提升火箭回收和复用效率，SpaceX在“星舰”项目伊始就提出了一级火箭直接飞回发射台的设想。通过取消着陆腿，火箭变得更轻、更简洁。用于回收的“筷子”既可作为发射前的总装塔吊，又可用于捕获火箭，实现一机多用，无须额外设计专用的回收设备。
“筷子”回收也需要克服两个方面的挑战：一是着陆精度要求极高，火箭需要以极高精度飞回发射台，利用火箭贮箱侧壁上两个小型的倒L形挂点被“筷子”准确捕获。这一过程被形容为“千里穿针”，难度极大。二是回收失败风险，如果回收失败，可能会损坏发射台或周边的发射设施，造成严重的经济损失并影响后续发射计划。这一风险高于“猎鹰9号”回收失败的影响。
为了降低风险，在“星舰”第五次发射试飞的一级返回过程中，系统持续监测发射台和火箭的状态。只有当所有状态正常，且发射人员手动下达指令时，一级火箭才会尝试飞回发射台进行回收。如果火箭出现异常，如栅格舵卡涩、推进剂泄漏、火箭姿态失控等，火箭将选择在海上着陆，避免对发射台造成损害。
这次“星舰”发射六分钟后，一级“超重”助推器与二级飞船分离并返回，被一对18米高的机械臂“筷子”准确捕获。之后，二级飞船继续正常飞行，在发射1小时5分钟左右，成功垂直溅落印度洋海域。SpaceX第一次测试机械臂捕获“超重”助推器就取得成功，超出了SpaceX和很多观众的预期。
“快速迭代”研发模式顺利推进传统航天器研发遵循稳健谨慎的原则，强调在地面进行充分测试，力求一次成功。然而，SpaceX采用了互联网行业常用的“快速迭代”模式。自“星舰”项目启动以来，SpaceX进行了多次原型机试飞。虽然部分试飞以爆炸或失败告终，但每次试飞都为工程师提供了宝贵的数据和经验。
第五次“星舰”试飞，火箭由B12号“超重”助推器和S30号“星舰”飞船组成两级火箭。从编号可以看出，这之前已进行了几十次地面测试和短距离飞行试验。SpaceX的垂直整合模式，使其能够迅速从失败中汲取教训，改进设计。公司内部的工程师团队高度协作，决策流程简化，加快了研发进度。此外，SpaceX拥有自己的生产和测试设施，能够快速制造新的原型机。这种高效的资源整合和团队协作，大大缩短了研发周期，实现了快速迭代的顺利推进。
2023年“星舰”的第一次试飞实现了33个发动机并联起飞，三个发动机意外关机，火箭在第一、二级分离前爆炸；第二次试飞一、二级成功分离，“超重”助推器和“星舰”飞船先后爆炸；今年3月的第三次试飞一、二级成功分离，“超重”助推器在尝试着陆点火后解体，“星舰”飞船在再入大气层时烧毁失联；今年6月的第四次试飞成功测试“星舰”飞船再入能力，“超重”助推器和“星舰”飞船实现海面软着陆。
此次第五次试飞成功，标志着“星舰”在关键技术上取得了重要进展，为实现其设计目标完全可重复使用的重型运载火箭系统，迈出了坚实的一步。
有望重塑未来航天产业“星舰”的最终目标是实现火箭的完全可重复使用，包括一级“超重”助推器和二级“星舰”飞船。
这一技术挑战大幅超过了“猎鹰9号”火箭。首先，“星舰”的运载能力达到了“猎鹰9号”的510倍，完全重复使用时可以将100200吨的有效载荷送到近地轨道。“猎鹰9号”只有第一级火箭可以重复使用，第二级火箭则是一次性的。“星舰”的全部可重复使用，有望大幅降低发射成本。相比传统一次性火箭，“星舰”的发射成本预计将降低一个数量级以上，使进入太空的成本从每公斤数千美元降至数百美元。
SpaceX计划基于“星舰”平台，开发多个版本以适应不同的任务需求，这当中包括货运版“星舰”，即用于大规模部署卫星、空间望远镜和空间站组件，支持星链（Starlink）等大型星座的快速部署，提高通信网络的覆盖和性能。加油版“星舰”，作为“太空油轮”，在地球轨道或深空为其他“星舰”加注推进剂，支持远距离的月球和火星等深空任务。此外，还有载人版“星舰”，承担载人登月、登陆火星等任务，具备运送大量人员和物资的能力。特别是载人登月版“星舰”，作为美国国家航空航天局（NASA）“阿尔忒弥斯”计划的一部分，要实现将宇航员从月球轨道送至月球表面并返回到月球轨道的目标。特殊任务版“星舰”，用于全球快速货物运输、紧急救援、军事部署等，实现全球范围内的高速物资和人员调动，可在地球任意两点间实现一小时内送达。
通过大幅降低发射成本，“星舰”有望使进入太空的门槛大大降低，构建起一条“太空高速公路”，引领并重塑未来航天产业，为太空经济的发展提供新的机遇。更低的成本将吸引更多商业公司和机构参与太空探索和开发，促进卫星部署、太空旅游、资源开采等新兴产业的发展。
载人登月依然挑战重重按照美国当前的计划，预期在2026年9月执行“阿尔忒弥斯3号”载人登月任务，但想要实现这一目标，仍面临诸多挑战。不久前，航天专家、NASA“从月球到火星”项目的助理副署长拉基莎霍金斯表示，“星舰”飞船不能直接飞往月球，必须在地球轨道上加满油后才能前往深空。SpaceX需要至少发射十几艘“星舰”飞船才能执行“阿尔忒弥斯3号”的月球着陆任务。
为实现上述载人登月目标，还有多项关键技术尚待突破和验证。一是重量减轻与性能优化，为了满足登月任务的需求，“星舰”需要在未来两年内进一步减轻自身重量，提高有效载荷比。二是太空加油技术，载人登月任务需要在地球轨道上为“星舰”加注超过1000吨的推进剂，这需要多次与加油船对接，每次转移约200吨燃料。太空加油技术尚未在实际任务中验证，需要进行大量试验，以确保可靠性和安全性。
最后是月球着陆与起飞技术：“星舰”需要在月球表面实现安全着陆和再次起飞。月球表面地形复杂，没有像地面一样建好的着陆场和发射场，“星舰”超过50米的高度和巨大质量对着陆稳定性提出了严峻挑战。上面每项试验都可能需要多次重复才能成功，时间压力巨大。
SpaceX的“星舰”项目以其大胆的创新和快速迭代的研发模式，正在重新定义火箭和航天器研发的方式，其进步不可否认地对全球航天产业产生了深远影响。未来，随着关键技术的突破和试飞计划的推进，有理由期待“星舰”为人类打开通往更广阔宇宙的大门，推动航天事业进入新的时代。
（作者系中国航天科普大使）
作者：周炳红
编辑：杜玮
