馬斯克的SpaceX進(jìn)行了星艦第四次試飛，取得了首次完滿成功，一級(jí)火箭和帶著飛船的二級(jí)火箭均以軟著陸的垂直姿態(tài)濺落預(yù)定海域。直播中火箭專家在一開始就指出，星艦的回收比登月還難，但馬斯克居然成功了？

（星艦第四次試飛發(fā)射，直播截圖）

但星艦的成功回收，也給質(zhì)疑者帶來了一個(gè)疑問：火箭回收技術(shù)是近年才由SpaceX首次實(shí)現(xiàn)的火箭受控軟著陸技術(shù)，為何美國在上世紀(jì)60年代末的阿波羅計(jì)劃就實(shí)現(xiàn)了月球軟著陸？他們當(dāng)時(shí)沒有火箭回收技術(shù)，是怎么在月球?qū)崿F(xiàn)軟著陸的？

最早的回收技術(shù)——航天飛機(jī)

說起火箭回收技術(shù)，其實(shí)可以追溯到阿波羅計(jì)劃的時(shí)代，那時(shí)重復(fù)使用的航天飛機(jī)就已經(jīng)被提出來，直到1981年4月12日，首架航天飛機(jī)哥倫比亞號(hào)試飛成功。但其實(shí)航天飛機(jī)并非真正意義上的火箭軟著陸回收技術(shù)，它的一級(jí)火箭回收時(shí)是通過降落傘實(shí)現(xiàn)減速，然后墜入大海，最后重新打撈上岸的。而航天飛機(jī)本身就是一個(gè)安裝了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，采用飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)，在完成太空任務(wù)重返大氣層時(shí)，通過機(jī)翼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滑翔降落。

（即將發(fā)射的航天飛機(jī)，圖源：NASA）

SpaceX的火箭回收技術(shù)是怎么回事？

SpaceX的火箭回收技術(shù)則是真正意義上通過軟著陸實(shí)現(xiàn)的火箭回收技術(shù)。它是助推火箭在完成推進(jìn)任務(wù)后，與任務(wù)載荷分離后受控返回地面并通過剩余的燃料進(jìn)行重新點(diǎn)火，最終在火箭反推作用下垂直降落到預(yù)定的回收著陸點(diǎn)。

這種回收方式有兩個(gè)主要難點(diǎn)：

第一個(gè)難點(diǎn)是火箭返回著陸點(diǎn)。這一點(diǎn)可能一級(jí)火箭會(huì)比較容易實(shí)現(xiàn)，由于一級(jí)火箭的燃料主要用于抬升高度，所以飛行距離相對(duì)并不大，這樣無論是設(shè)置回收著陸點(diǎn)還是火箭返回著陸點(diǎn)都更容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)一級(jí)火箭可以利用著陸支架增加著陸姿態(tài)的寬容度，增加著陸成功率。

（SpaceX火箭回收動(dòng)圖）

但二級(jí)火箭不一樣，它是在一級(jí)火箭分離后繼續(xù)對(duì)飛船載荷實(shí)施加速，最終把載荷送入環(huán)繞軌道后才實(shí)施分離，此時(shí)二級(jí)火箭已經(jīng)處于大氣層外，要進(jìn)行回收的話，二級(jí)火箭需要重返大氣層，但它不可能攜帶大量燃料進(jìn)行減速，這會(huì)大大縮減載荷的發(fā)射重量，因此減速過程一般使用類似返回器的方式，再入大氣層后通過濃密大氣進(jìn)行減速。但這種方式存在一個(gè)問題，就是在外太空稀薄的空氣里返回過程無法獲得有效減速，因此當(dāng)高度下降到100km左右的濃密大氣的時(shí)候，火箭依然會(huì)擁有極高的速度，比如這次星艦二級(jí)火箭在重返大氣層到達(dá)108km高度時(shí)，速度依然高達(dá)7.4km/s，相比一級(jí)火箭分離時(shí)，速度僅為1.5km/s。更高的速度也意味著更長(zhǎng)距離的滑翔減速，對(duì)于回收著陸點(diǎn)的瞄準(zhǔn)難度也更大。

（星艦第四次試飛再入大氣層，直播截圖）

第二個(gè)難點(diǎn)是著陸時(shí)的姿態(tài)調(diào)整。這一點(diǎn)同樣是一級(jí)火箭會(huì)更容易，原因就是前面說的著陸支架設(shè)計(jì)，在二級(jí)火箭上就沒那么簡(jiǎn)單了。如前所說，在如此高的速度沖入濃密大氣將導(dǎo)致箭體急劇升溫，這樣將難以保證暴露在外的著陸支架強(qiáng)度和機(jī)械活動(dòng)性能，這些都有待驗(yàn)證，假如無法通過著陸支架增加底部穩(wěn)定，那對(duì)姿態(tài)控制和推力控制的精度都是地獄級(jí)的！

事實(shí)上可能很多人都不知道，目前實(shí)際應(yīng)用的火箭回收技術(shù)僅是一級(jí)火箭回收，SpaceX的商業(yè)發(fā)射還沒有進(jìn)行二級(jí)火箭回收。而這次星艦的第四次試射卻實(shí)現(xiàn)了二級(jí)火箭的模擬軟著陸，也就是以軟著陸的姿態(tài)濺落海面。

（星艦第四次試飛一級(jí)火箭回收，視頻動(dòng)圖）

二級(jí)火箭軟著陸比登月還難？月球著陸器的月面軟著陸究竟需不需要火箭回收技術(shù)？

在星艦第四次試射的直播中，火箭專家就曾指出這次的回收任務(wù)比登月還難，前面我們已經(jīng)簡(jiǎn)單解釋了二級(jí)火箭回收的難度，那它真的比登月還難嗎？曾有視頻博主就這個(gè)問題提出過質(zhì)疑，認(rèn)為月面軟著陸比馬斯克的火箭回收更難，對(duì)此我并不同意。

（網(wǎng)絡(luò)視頻截圖）

首先是速度差，對(duì)于地球軌道的火箭回收，二級(jí)火箭一般是把載荷推到環(huán)繞軌道，分離返回時(shí)速度約7.7km/s（稍低于第一宇宙速度）。而月球軌道200km高度時(shí)的環(huán)繞速度約1.59km/s，僅比星艦一級(jí)火箭分離時(shí)的速度高一點(diǎn)點(diǎn)，而在月球軌道所受到的重力加速度比地球小6倍?？梢妴握摐p速的難度，火箭回收就遠(yuǎn)高于月球著陸器。

但是兩者的減速方式其實(shí)完全不一樣，月球上又有沒有大氣層，減速只能靠著陸器自身的推進(jìn)器，所以在月球軌道的下降過程屬于動(dòng)力下降，全程都需要燃料推進(jìn)器實(shí)施減速，而這種下降方式的好處就是可操控性更好。這種下降方式的唯一缺點(diǎn)是需要花費(fèi)大量燃料用于降落。

而地球上由于有大氣層，可利用大氣阻力實(shí)現(xiàn)被動(dòng)減速，好處自然是節(jié)省燃料，這次星艦二級(jí)火箭在離地面1km不到時(shí)才重新點(diǎn)火，此時(shí)火箭已經(jīng)在空氣阻力下減速到323km/h，即0.09km/s左右。

（星艦第四次試飛二級(jí)點(diǎn)火軟著陸，直播截圖）

從動(dòng)力減速來看，同質(zhì)量下地球軌道的二級(jí)火箭減速所需的動(dòng)力更小，但操控難度更大。最后在軟著陸階段，看看兩者的結(jié)構(gòu)你就知道誰更難。

最后我簡(jiǎn)單總結(jié)一下兩者難度差異：

火箭回收：必須降落在平地。月球著陸器：可以在斜度不太大的斜坡和崎嶇月面。

火箭回收：必須垂直降落。月球著陸器：可以斜著降落。

所以，月球軟著陸用的不是火箭回收技術(shù)，也不需要火箭回收技術(shù)。

我是星宇飄零，關(guān)^_^注我，和你分享更多有趣科學(xué)知識(shí)。

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