1 前言
北京时间2024年10月13日20时25分，美国SpaceX公司进行了星舰系统的第五次飞行试验，并取得了圆满成功。在试飞过程中，有着“机械哥斯拉”之称的轨道发射集成塔（OLIT-1）首次完成了对星舰系统一子级超重助推（B12）的捕获回收，回收过程令人惊叹。本文将以轨道发射集成塔为主，简要介绍星舰系统独特且疯狂的回收方案，并对其发展历程与技术设计进行梳理，为大家提供“机械哥斯拉”的一般食用指南。
图 1 星舰系统第五次飞行试验与官方任务章
2 神兽降生
星舰系统的前身被称为BFR系统（Big Falcon Rocket），该计划最早可追溯至2005年，当时的SpaceX公司成立仅仅3年，还未进行过任何火箭发射任务，该计划也仅仅作为公司的远景构想被提出。到2016年，SpaceX主力的中型运载火箭猎鹰9号已经接近定型，回收复用技术己经实现突破并趋向于稳定，沉寂多年的BFR被更名为星际运输系统（ITS）重新回归到大众的视野之中。当时的ITS系统的使命以殖民火星为主，起飞质量超过10000吨，近地轨道运载能力300吨，箭体主要采用碳纤维复合材料。
到2018年底，ITS系统抛弃了原有的碳纤维箭体设计，全面转向不锈钢箭体材料，随后整个系统被更名为星舰（StarShip）。2019年，星舰系统的第一个演示原型机“星虫”（Starhopper）成功进行了两次试飞，向公众展示了不锈钢箭体与猛禽发动机结合的技术可行性。2020年3月，SpaceX发布了《星舰用户手册V1.0》，此时的星舰系统仍采用传统的着陆腿式回收构型。一子级被称为超重助推（Super Heavy booster），着陆腿设计与火箭尾翼融为一体；二级被称为星舰飞船（Starship spacecraft），着陆腿为伸缩式设计。
图 3 星舰概念的演化过程
2020年底，星舰的回收方式迎来了一次彻底的改变。马斯克在推特上宣称将使用发射塔上的机械臂接住火箭，这种回收方式也被形象的称为“筷子”回收。2021年初，位于德克萨斯州博卡奇卡的星舰基地首座轨道发射集成塔（OLIT-1）开始塔基建设， 4月底完成第一节钢架模块搭建，7月底完成塔体封顶，8月底完成快速断开臂吊装，10月中下旬完成主捕获臂吊装。到2021年底时，该塔基本具备运行状态，前后建造共历时约一年时间。在轨道发射集成塔完成基本建设后，SpaceX又先后对其进行了一系列测试工作，其中包括了500吨静态水袋承载试验，这也标志着该塔已经具备实用化能力。随着轨道发射集成塔的逐步成型，一个更加形象也更加科幻化的称号也开始不胫而走，这便是“机械哥斯拉”（Mechazilla）的诞生。
图 4 轨道发射集成塔的组装过程
从发射塔建造完成至星舰第四次试飞，该塔主要承担星舰系统的一系列飞行准备与测试工作，并未进行过多的与回收相关的测试项目。在星舰第四次试飞取得了显著的成果后，马斯克宣布第五次试飞将尝试使用塔架回收星舰的第一级。此后，发射塔开始以回收为目标进行大量的改装与测试工作。
到目前为止，SpaceX在星舰基地建成了1套完整的地面发射回收支持系统，并已经完成了5次轨道飞行试验任务。星舰基地的第二套地面系统正在加紧建设中，二号轨道发射集成塔主体已经完成堆叠和封顶。除了位于德州的星舰基地之外，SpaceX还在规划卡纳维拉尔角的星舰发射场建设。位于LC-39A的轨道发射集成塔已经接近完工，但是由于相关计划调整，该项目处于暂停状态。
3 一臂之力
作为人类有史以来最重的人造飞行器，星舰系统的起飞重量达到了史无前例的5000吨级，远超一代传奇土星5号的3000吨，甚至超过了一艘054A护卫舰的满载排水量，因此与之配套的地面支持系统的复杂程度也毫不意外地达到了新的高度。目前，SpaceX在位于德克萨斯州博卡奇卡的星舰基地建成了一套完整的星舰地面支持系统，该系统主要包含轨道发射台（OLM）、轨道发射集成塔（OLIT）、储罐区（Tank Farm）、水冷钢板及配套设施等。其中最为复杂也最具创新性的，还是轨道发射台与轨道发射集成塔。
图 5 星舰地面支持系统组成
轨道发射台也被称为“第零级”，其功能与传统火箭发射台类似，主要为箭体提供结构支撑。发射台上表面靠近发射塔一侧设有快速断开装置，用于为超重助推提供加注供气以及电气连接功能。该装置本身具有伸缩和热防护能力，可以保护自身不被尾焰破坏。发射台上表面两侧设有辅助超重助推与发射台对接的导向装置，但是由于这些导向装置没有热防护能力，因此在第五次试飞前被临时移除了。发射台内环设有20个牵制释放支撑臂，这些支撑臂既用于支撑箭体又可以起到牵制释放的作用，可以确保箭体在静态点火与正式点火时的安全稳定。同时这些支撑臂还带有发动机的启动装置，为超重助推的最外圈20台猛禽发动机提供启动服务，这一设计大大简化了箭上的复杂程度。发射台除具有以上功能外，还具有喷水冷却降噪等功能。
图 6 轨道发射台组成
轨道发射台固然重要，然而星舰地面支持系统中最引人注目的还要数“机械哥斯拉”本拉的轨道发射集成塔。轨道发射集成塔的主要功能包括星舰系统垂直组装、星舰飞船推进剂加注、超重助推回收等，由塔架主体、快速断开臂和捕获臂系统三大部分组成。
塔架主体为钢架结构，塔身总高约145米，截面为边长12.5米的正方形，塔身由8段预制钢架堆叠而成，每段钢架主体由边长1.6米的空心方形钢柱组成，正中间为人员检修电梯，塔架外左后侧设有人员检修步梯。塔顶安装有主卷扬滑轮组等结构，主卷扬驱动器安装在塔架根部单独的设备间里，用于控制捕获臂系统沿塔身升降移动。塔身朝向发射台的三条棱边表面铺设了专用的轨道模块，服务于捕获臂系统的升降运动。塔身中部背对发射台的一面安装有快速断开臂及其作动器。塔体下部靠近地面的位置设有升降限位装置，当捕获臂系统处于检修或其他特殊状态时，可以将其下放到限位装置处，进而使卷扬系统卸荷。塔体下部朝向发射台的两面铺设有挡焰板。值得注意的是，在此次试飞之前，原有的挡焰板最上方又新增了一部分挡焰板，而新的挡焰板正是用于防护超重助推着陆机动过程中剧烈摇摆的尾焰。
图 7 轨道发射集成塔组成
在塔体中部安装有快速断开臂，该装置主要与星舰飞船尾部面板相连，为星舰系统的二级提供加注供气以及电气连接，其功能与轨道发射台上的快速断开装置类似。快速断开臂主体可以沿水平方向摆动，发射准备阶段向前摆动与星舰相连，点火瞬间加注面板会后退断开连接，断开臂主体向右后方摆动以避开火焰，同时保护盖板也会自动关闭，防止加注面板被尾焰损坏。快速断开臂的早期阶段还安装有辅助稳定触手，用于稳定超重助推的顶部，但后来该装置被拆除。
图 8 早期快速断开臂与简化后的设计对比
如果说轨道发射集成塔是星舰地面支持系统的核心，那么捕获臂系统则毫无疑问是轨道发射集成塔的核心。由于捕获臂系统在过去很长的时间里几经改进，因而本文选取最新状态进行介绍。两个主捕获臂以同轴心的方式安装在升降平台上，升降平台与塔架主体的导轨接触并可上下滑动。液压作动器的一端安装在升降平台上，另一端与主捕获臂连接。液压作动器的驱动系统被布置在升降平台上。捕获臂主体长度约36米，可使用的捕获区长度约21米。起飞过程中，左右两个捕获臂展开成最大张角以避开火箭尾焰，此时张角约110°。回收时，两捕获臂可以靠拢到0°张角，此时止动装置接触以防止夹断箭体。
图 9 捕获臂系统组成
捕获臂内侧上部安装有回收导轨，该导轨又与一组平行四边形机构相连。在两支顶升气缸的作用下，回收导轨在平行四边形机构的约束下上下运动，运动行程约0.8米。沿导轨的下面分别布置着五支缓冲器。在回收准备阶段，顶升气缸将回收导轨顶起。超重助推着陆钩与回收导轨接触后带动其一起下落，在此过程中由缓冲器吸收多余的机械能，为箭体提供一个适当的力学环境。
图 10 顶升状态的回收导轨
由于捕获臂与火箭都存在一定的控制误差，在回收导轨的内测又加装了侧向缓冲块。早期的侧向缓冲块可能使用的是带软包覆的泡沫材料，但在后续试飞中被尾焰损坏严重。于是在此次试飞前换上了金属包覆新型缓冲块，而该缓冲块也在最终的回收过程中发挥了重要的作用。
图 11 此前试飞中损坏的缓冲块与新型缓冲块
当超重助推稳定着陆后，导轨前后的复位滑块在两套丝杠驱动下向中间移动，移动过程中会推动超重助推的着陆钩移动到捕获臂的中间位置，完成对着陆后超重助推的位置微调。捕获臂下部设有微调辅助臂，该装置具有三个自由度，可对箭体姿态进行小范围微调。在复位滑块与微调辅助臂的共同配合下，回收后的箭体可以被准确的放置回发射架或转运托架。
图 12 微调辅助臂正在与星舰飞船对接
捕获臂中部上面设置有专门用于堆叠星舰飞船的可旋转式提升销。在回收准备阶段，该装置会向外旋转，以避免与回收导轨运动相干涉。也正是由于目前星舰飞船需要使用此类特殊装置进行操作，因而星舰飞船暂时还不具备依靠塔架回收的能力。除上述主要装置以外，轨道发射集成塔还安装有大量传感器与摄像头，但目前尚未有直接证据显示使用了计算机视觉辅助技术参与火箭的回收控制。
图 13 星舰飞船专用提升销与大量摄像头（绿框处）
与“机械哥斯拉”相对应的，超重助推的设计也是值得深入了解的。相比猎鹰9号，超重助推在回收着陆方面主要有两大方向的改进，其一是着陆机构从着陆腿改为着陆钩，其二是着陆段的动力分配设计。相比猎鹰9号巨大的着陆腿设计，超重助推的两小只着陆钩显得莫名的可爱，固定的着陆钩在减少大量死重的同时简化了箭上作动机构的数量，在提高运载系数的同时提高了着陆时的可靠性；着陆钩方案也优化了全箭的传力设计，取消了猎鹰9号贮箱中的十字型桁架等辅助结构，进一步减少死重。
图 14 超重助推顶部结构与着陆钩设计
在着陆段动力分配的问题上，猎鹰9只能使用9台发动机中最中心的1台梅林发动机，单台发动机很难实现滚转通道的有效控制，这就引入了更多的冷气姿控的资源；同时因为发动机推力调节的限度与箭体着陆质量的关系，猎鹰9号无法实现类悬停的精细控制，着陆过程必须保证速度与位置同时减少到零，导致最终的控制精度存在一定的取舍。猎鹰9号在早期设计中并非为垂直着陆而设计，因而也可以认为其存在一定的先天缺陷。星舰系统则完全是一种彻底的可复用设计（垂直），并且在设计的过程中还有大量的前序型号飞行数据作为参考。超重助推一级搭载33台猛禽发动机，进场减速段使用其中的13台，最终着陆段使用其中的3台，猛禽发动机单台推力即接近超重助推的着陆质量，而3台发动机节流到最小推力可以实现悬停控制，这样的动力配置在提供高效的滚转控制能力的同时也提供了强大的冗余性和灵活性。也正是在这样的系统设计配合下，星舰系统的塔架回收设想才有可能成为现实。
4 拨云见日
自2020年底马斯克首次在推特上宣称将放弃着陆腿方案转而采用“筷子”方案起，针对该方案的质疑声就未曾平息过。
SpaceX目前已经在猎鹰9系列运载火箭上积累了350余次成功的着陆腿回收经验，其中267次连续成功回收，总体回收成功率为96.7%，在2022年与2023年的回收成功率都高达100%，而在一数据在2015年仅有33.3%。作为人类首款实用化的可重复使用运载火箭，猎鹰9系列不仅是SpaceX的绝对主力，也同样成为了全球航天产业争相模仿的对象。按照常规的剧情推进，SpaceX的下一代运载火箭毫无疑问将按照已经成熟的方案继续推进，但显然马斯克和SpaceX的工程师们有着不同的想法。
首先，为了实现“让生命多行星化”的愿景，马斯克对于星舰系统的可复用程度提出了更高的要求，即使猎鹰9已经以百余次的年发射量一骑绝尘，但距离真正的航班化运行还有着质的鸿沟。其次在星舰的巨型体量上，着陆腿的设计也出现很大的工程问题，火箭需要增加巨量的死重来加强箭体结构并安装巨型的着陆腿，更重要的是这些代价将在航班化的高频次发射中被无限放大。最后，SpaceX在猎鹰9的回收复用中积累了大量的回收数据和设计经验，这些经验又被用于优化星舰的设计，使得相比又一次性火箭演化而来的猎鹰9，星舰的可复用设计更加合理、更加彻底、更加高效。
2024年6月6日，SpaceX组织开展了星舰系统的第四次综合试飞，试飞的结果是令人振奋的，超重助推在墨西哥湾成功实现高精度海上溅落，SpaceX副总裁格斯滕迈尔接受采访时宣称着陆精度达到“半厘米级”，星舰飞船在舵面烧穿的情况下也成功实现了海上溅落，随后马斯克宣称将在下一次试飞中尝试塔架回收超重助推。
2024年6月26日，编号B14.1的测试箭体被安装到轨道发射台上，随后开始进行第一次模拟箭体匹配试验，这也是外界第一次直观了解塔架回收的模拟过程。此次试验使用左侧捕获臂进行，试验项包括捕获臂摆动控制测试、缓冲机构测试等。由于控制精度问题，测试过程中导轨与箭体碰撞发出巨大的金属撞击声，模拟箭发生肉眼可见的晃动与形变，测试完毕后箭体出现明显划痕，随后测试箭体被送回厂区。本次测试后捕获臂开始进行维护处理。
图 15 第一次模拟箭体匹配试验
2024年8月8日，B14.1测试箭体重新回到轨道发射台，进行了第二次模拟箭体匹配试验，本次试验同时使用了两条捕获臂进行配合。8月17日模拟箭体完成测试送回厂区。
图 16 第二次模拟箭体匹配试验
在完成第二次模拟箭体匹配试验后，轨道发射集成塔开始进行大规模改造工程，改造项目包括为捕获臂安装完整的缓冲块、更换液压作动器、安装和检查各类传感器、对捕获臂主体焊缝进行补强、重新安装新的止动装置等。与此同时，超重助推B12也完成了适应性改装，对着陆支点与辅助支点进行了结构补强。改造后的轨道发射集成塔在靠近塔顶的回收位置进行了一系列模拟捕获动作试验。
图 17 进行结构补强后的超重助推B12
2024年9月21日，改造后的捕获臂将B12提升到靠近塔架顶端的回收位置，向外界展示了塔架回收完成后的样子，现在我们已经知道，这并不是B12最后一次以回收姿态出现。9月22日，星舰系统完成堆叠，SpaceX宣布星舰第五次试飞已经准备就绪，只等监管部门批准。10月8日，SpaceX宣布试飞瞄准10月13日进行。
北京时间2024年10月13日20时25分，星舰S30与超重助推B12组合体从星舰基地1号轨道发射台起飞，起飞过程非常顺利。T+2分42秒，一二级完成热分离，超重助推开始进行返场机动。T+6分30秒，13台猛禽2发动机顺利启动，开始着陆减速，7秒钟后中层10台发动机关机，只剩最后的3台进行最后的着陆机动。T+6分46秒，发动机尾焰穿过捕获臂平面，2秒后火箭尾部通过正在闭合的捕获臂，当甲烷贮箱中部通过捕获臂后，缓冲块开始先后与箭体接触，T+6分56秒，超重助推着陆支点接触回收导轨上端面，成功完成了首次塔架回收测试，同时也刷新了火箭回收的新纪录。根据超重助推着陆后进行位置回零的视频可以初步判断，其沿捕获臂方向着陆精度约为0.7米左右，虽然并不如此前宣称的亚厘米级，但考虑到这是主要机动方向，超重助推的控制能力可见一斑。
图 18 星舰塔架回收过程
星舰第五次试飞塔架回收的成功一扫外界此前的各种疑虑，以无可争辩的事实宣告了天地往返运输技术已经迈进了新的复用时代，人类已经站在了星际移民时代的门口。
图 19 超重助推已着陆
5 双塔奇兵
在星舰第五次试飞的同时，SpaceX也宣布了最新的计划，即在2025年实现星舰的完全复用、在2026年赶上火星轨道窗口将无人星舰送往火星、最终实现年产数百艘星舰的远景目标。而为了实现上述的远景目标，更好的支撑星舰系统的顺利试飞，SpaceX早已开始了新的行动。
2024年8月21日，就在1号发射塔正在为第五次试飞进行改造时，星舰基地的第二座轨道发射集成塔也完成了塔顶的吊装工作，这标志着星舰基地正式进入了双塔时代，从此空旷的博卡奇卡海滩并列站立起两座超过140余米高的“机械哥斯拉”。
图 20 星舰基地二号塔封顶
有了前一套地面支持系统积累的大量工程经验，新的地面系统设计也进行了明显的改进工作，而对应到塔架回收相关的改进，最明显的就是新的捕获臂系统。新捕获臂几乎可以看作是原捕获臂的“降本增效”版，总长度从原先的36米缩短至26米，有效捕获长度从原先的21米缩短至11米，每条捕获臂上原本的两套丝杠对中装置减少到一套，顶升气缸恢复到1套，缓冲器以2根为一组对称布置2组。缩短后的捕获臂有效降低了自身的转动惯量，提高了控制精度；同时由于长度的缩短，捕获臂摆动过程中的型变量和晃动量也大大降低，控制精度进一步提高。当然，需要注意的是捕获臂缩短的前提是星舰系统强大的着陆精度，没有这个前提，这些的改进也将是不现实的。到目前位置，星舰基地2号塔还在紧张施工中，预计将于2025年正式投入使用。
图 21 新发射塔的捕获臂
站在星舰第五次试飞的时间点，展望星舰的未来发展之路，前途仍有不少的关卡等待突破。星舰系统的目标是完全可复用，而目前星舰飞船的设计还不具备塔架回收的能力，且由于发动机与原先的着陆腿位置冲突，新的着陆腿设计也还未公布，也许可伸缩式着陆钩将会成为星舰飞船二级快速复用的选项。
图 22 回收后的星舰邂逅星虫，颇有沉舟侧畔千帆过的意味
6 总结
从2023年4月20日星舰进行首次轨道飞行试验开始，SpaceX用一年多的时间实现了星舰系统的首次成功回收，在一次次的失败的背后，伴随着的是项目一次次的稳步推进，这毫无疑问是人类航天史上闪耀的一页。星舰系统逐步成熟的同时，马斯克的疯狂梦想正在慢慢成为现实，而人类文明也许真的已经来到了星际移民时代的前夜。作为商业航天的从业者，震撼与兴奋过后，需要的是我们继续努力前行。从地球到深空的无尽轨道，从现在向未来的永恒探索，跟踪前沿技术发展，打造航天强国梦想，我们已然在路上了。
