詳解星艦全新著陸回收系統(tǒng)：用“筷子夾” 接住再放回發(fā)射架

·從發(fā)射周期考慮，“星艦”發(fā)射與回收采用了新的思路：剔除著陸腿。如果去掉著陸腿，唯一選項(xiàng)就是采用抓取火箭的方式，這需要極高的控制精度。

·SpaceX公司希望可以通過這套新型的著陸回收系統(tǒng)，縮減“星艦”飛船發(fā)射周期，使其可以接近飛機(jī)航班周期，降低發(fā)射成本，加快發(fā)射速度，從而實(shí)現(xiàn)星際移民。

2022年，太空探索技術(shù)（SpaceX）公司已建造完成了全新的著陸回收系統(tǒng)：在超重型助推器或“星艦”飛船返回著陸時(shí)，取消一級助推器著陸腿，通過機(jī)械臂采用“筷子夾”的方式把超重型助推器或“星艦”飛船接住，放回發(fā)射架。新的著陸回收系統(tǒng)可以有效縮短“星艦”飛船再次發(fā)射的周期。

(資料圖片)

一、“筷子夾”需求分析

超重型助推器在與“星艦”分離后，會(huì)像“獵鷹”9一樣返回地面，“星艦”飛船繼續(xù)完成入軌工作，駛向月球、火星等目的地。為了實(shí)現(xiàn)“星艦”飛船遠(yuǎn)航目標(biāo)，需配合采用軌道停車太空加油的方式，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)超高速旅行和火星移民的目標(biāo)，“星艦”每天需要執(zhí)行多個(gè)航班，飛行間隔與飛機(jī)客機(jī)相當(dāng)。

現(xiàn)有“獵鷹”9火箭著陸后需要運(yùn)回火箭整修廠，翻新、更換、檢測眾多零部件，其中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是整修著陸腿，整修工作需要大量時(shí)間。從發(fā)射周期考慮，“星艦”發(fā)射與回收采用了新的思路：剔除著陸腿，這樣不僅能縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間，還可以大大減輕質(zhì)量。“星艦”原始的方案是設(shè)計(jì)6條著陸腿，總質(zhì)量約占整個(gè)火箭著陸時(shí)的10%。如果去掉著陸腿，唯一選項(xiàng)就是采用抓取火箭的方式，這需要極高的控制精度。與“獵鷹”9相比，超重型助推器一大優(yōu)勢是懸停能力，其配有33臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)，可選的動(dòng)力組合更加豐富，相比“獵鷹”9火箭，更容易將推重比穩(wěn)定在1，這意味著可以在發(fā)射塔上保持懸停，并且有足夠的時(shí)間調(diào)整飛行路徑。SpaceX公司設(shè)想火箭靠近發(fā)射塔時(shí)，利用巨大機(jī)械臂抓住超重型助推器，將其放回發(fā)射架，然后準(zhǔn)備下一次飛行。

超重型助推器的關(guān)鍵點(diǎn)是與抓取機(jī)械臂對接的柵格翼下方的承重點(diǎn)，需要承載整個(gè)助推器質(zhì)量，并保證火箭的穩(wěn)定。同時(shí)，通過火箭結(jié)構(gòu)減負(fù)與安裝在機(jī)械臂上的減震裝置配合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定回收，避免重大整修。

星艦塔與超重型“星艦”合體。

二、“筷子夾”地面系統(tǒng)方案介紹

“星艦”著陸回收地面系統(tǒng)核心設(shè)施為星艦塔，星艦塔由軌道發(fā)射集成塔和軌道發(fā)射架兩部分組成。

（一）軌道發(fā)射塔方案介紹

軌道發(fā)射集成塔高約145m，包括1個(gè)快速斷開臂和由2個(gè)機(jī)械臂構(gòu)成的抓取機(jī)械臂，抓取機(jī)械臂被稱作“筷子”（Chopsticks）。發(fā)射塔有4根支撐柱，其中抓取機(jī)械臂的基座固定在靠近發(fā)射架的3根支撐柱上，占有2個(gè)面，同時(shí)是可升降的，不可升降的快速斷開臂則固定在余下的1個(gè)支撐柱上。

快速斷開臂的作用是為“星艦”飛船加注推進(jìn)劑，并充當(dāng)助推器穩(wěn)定器；快速斷開臂上配置有快速斷開（QD）裝置，發(fā)射前與“星艦”飛船進(jìn)行對接，進(jìn)行發(fā)射前推進(jìn)劑的加注。

抓取機(jī)械臂長36m，高18m，由兩個(gè)機(jī)械臂配合開展工作，從而接住“星艦”飛船或超重型助推器，經(jīng)過水袋負(fù)重測試，機(jī)械臂最大負(fù)載可達(dá)700多噸。抓取機(jī)械臂通過塔底的一個(gè)超大型絞車系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，可沿塔架上的軌道上下移動(dòng)。同時(shí)，通過液壓油缸的伸縮動(dòng)作帶動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)打開和合攏。另外，為保持穩(wěn)定，機(jī)械臂安裝了液壓緩存機(jī)構(gòu)，用于在提升或回收助推器和“星艦”飛船時(shí)，承載分散一部分沖擊力。

軌道發(fā)射集成塔。

（二）軌道發(fā)射架方案介紹

軌道發(fā)射架是整個(gè)“星艦”飛船在發(fā)射前的固定位置，用于支撐和裝載“星艦”飛船和超重型助推器。發(fā)射架由一些重要部分組成，包括QD快速斷開裝置、壓緊釋放裝置及噴水系統(tǒng)。發(fā)射架頂部設(shè)置了一個(gè)QD快速斷開裝置，在發(fā)射之前為助推器加注。QD快速斷開裝置將為助推器提供液態(tài)甲烷、液氧和氦氣等，并在發(fā)射前提供外部電源，該裝置將在發(fā)射時(shí)與助推器斷開連接。QD快速斷開裝置包括各種重要的接口，液氧和液體甲烷的主加注和泄出口及備用加注口，氧氣、甲烷、氮?dú)?、氦氣口和電路口等。軌道發(fā)射架上設(shè)置有20個(gè)單獨(dú)的釋放裝置，帶有鉗夾和可伸展的承托及小型的QD端頭，這些釋放裝置連接到助推器的底部，用于靜態(tài)點(diǎn)火測試和軌道發(fā)射。

軌道發(fā)射集成塔組件。

為了“星艦”飛船有更多的運(yùn)載能力，減輕助推器的質(zhì)量，SpaceX去掉了助推器外圈20臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)能力及所需的設(shè)備。而每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射前都需連接各種氣體、推進(jìn)劑和電源等，同時(shí)還應(yīng)該在發(fā)射時(shí)斷開，因此，除了發(fā)射臺(tái)上的主QD裝置，還在內(nèi)圈設(shè)置了一圈專門針對外圈發(fā)動(dòng)機(jī)的20個(gè)小型QD端頭。

軌道發(fā)射架上配置有噴水系統(tǒng)，用于發(fā)射時(shí)降低噪音和突發(fā)情況下滅火，噴水系統(tǒng)噴出水柱經(jīng)過高溫高速燃?xì)獾拇禋馀蛎浐?，?huì)形成很好的水霧環(huán)境，用來吸收聲波能量。

軌道發(fā)射架。

（三）對接與發(fā)射流程

1.對接流程

發(fā)射塔將“星艦”飛船與助推器合體對接，具體步驟可分為以下兩步：

第一步，將超重型助推器放置在發(fā)射架上。助推器通過運(yùn)輸平臺(tái)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，發(fā)射塔快速斷開臂水平展開讓出空間，抓取機(jī)械臂調(diào)整到合適高度，機(jī)械臂頂部對準(zhǔn)助推器柵格翼下方兩側(cè)主承重點(diǎn)的托握結(jié)構(gòu)，然后機(jī)械臂合攏；接著機(jī)械臂下方的兩個(gè)延伸段延伸固定到助推器兩側(cè)的輔助穩(wěn)定插口，實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)支撐穩(wěn)定箭體；穩(wěn)定后，兩個(gè)機(jī)械臂上升到一定高度，旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)發(fā)射架，將助推器放下。

第二步，完成“星艦”飛船與助推器對接。助推器穩(wěn)定后，抓取機(jī)械臂打開并升高，然后側(cè)轉(zhuǎn)繞過助推器，對準(zhǔn)旁邊的“星艦”飛船，并下降到一定高度；當(dāng)抓取機(jī)械臂達(dá)到“星艦”下方接近起重位置時(shí)，合攏托住“星艦”飛船，將“星艦”飛船升至高于助推器的高度。同時(shí)，快速斷開臂旋轉(zhuǎn)到指定位置，伸出穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，輔助穩(wěn)定助推器。接著抓取機(jī)械臂水平旋轉(zhuǎn)，將“星艦”放置在助推器上方，完成“星艦”飛船和助推器的對接。由于“星艦”飛船的承重點(diǎn)與助推器不同，并非如助推器突出的托握點(diǎn)，而是兩個(gè)帶有調(diào)整區(qū)的圓孔，抓取機(jī)械臂兩臂上方對應(yīng)的是可翻轉(zhuǎn)的定位銷，定位銷準(zhǔn)確插入調(diào)整圓孔中，從而支撐穩(wěn)定“星艦”飛船。

發(fā)射塔提升“星艦”飛船。

2.回收過程

發(fā)射塔回收助推器時(shí)，抓取機(jī)械臂將旋轉(zhuǎn)到發(fā)射架的另一側(cè)。由于助推器并不直接降落在發(fā)射架上方，而是在發(fā)射架的側(cè)面被抓取，這樣可以避免因抓取失誤而砸壞發(fā)射架。助推器著陸時(shí)將使用9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，在大約800m的高空時(shí)將關(guān)閉6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，留下3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，這3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)將使助推器保持垂直姿態(tài)。在離地面大約65m的高度，將剩余的3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉兩臺(tái)，當(dāng)助推器2/3的部分落到機(jī)械臂之下時(shí)，助推器懸停，機(jī)械臂靠攏。機(jī)械臂將通過助推器柵格翼下突出的托握點(diǎn)和兩側(cè)的輔助穩(wěn)定插口，從而穩(wěn)定助推器。最后，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，將助推器放置到發(fā)射架上?！靶桥灐憋w船回收過程與助推器回收過程相似，不再贅述。

抓取機(jī)械臂回收助推器

三、結(jié)束語

SpaceX公司希望可以通過這套新型的著陸回收系統(tǒng)，縮減“星艦”飛船發(fā)射周期，使其可以接近飛機(jī)航班周期，降低發(fā)射成本，加快發(fā)射速度，從而實(shí)現(xiàn)星際移民。目前，這種新型著陸回收系統(tǒng)初次回收使用時(shí)間待定，如果未來這種新型地面著陸回收系統(tǒng)能夠成功發(fā)揮作用，將是地面支持技術(shù)的一大突破。

（作者馮國峰、楊浩亮，供職于北京中科宇航技術(shù)有限公司；楊毅強(qiáng)、胡小偉供職于中國科學(xué)院力學(xué)研究所。本文首發(fā)于《中國航天》雜志2022年第11期，原標(biāo)題為《“星艦”發(fā)射支持系統(tǒng)特點(diǎn)與分析》。澎湃科技獲授權(quán)轉(zhuǎn)載）

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