2024年10月13日，SpaceX成功实施了“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以其低成本可复用火箭方案，正在引领全球航天产业的技术性变革。
SpaceX “筷子夹火箭”
中国商业航天则正处于方兴未艾的黎明期。从2014年国务院首次出台鼓励民间资本参与商业航天的指导意见，到2024年商业航天作为“新增长引擎”首次被写入政府工作报告，中国商业航天已迎来了第一个10年。然而据公开数据显示，2023年美国商业航天公司完成了近100次发射，并将2514颗卫星成功送上轨道。与之相比，2023年我国民营商业航天发射仅13次，且绝大多数为实验性质的发射，普遍运载能力为300-500kg，暂无法满足卫星快速组网发射需求。
我们不由得思考：中国商业航天的发展究竟如何？我国商业航天产业距离SpaceX到底有多远？“星舰”第五次试飞的历史性一刻会否重塑航天产业格局？
对于以上问题，网易科技专访了宇石空间创始人唐文。唐文博士毕业于清华大学航院力学专业，曾完整经历了CZ-5、CZ-7型号火箭研制，历任知名商业火箭公司动力结构负责人，被称为我国不锈钢火箭第一人。
01 “星舰”“筷子”捕获臂回收，难且正确
网易科技：您如何看待2024年10月13日SpaceX首次尝试“筷子夹火箭”的历史性一刻？
唐文博士：2024年10月13日，SpaceX成功执行了超重-“星舰”第五次综合飞行试验（IFT-5），首次尝试“筷子”捕获回收取得成功。本次成功表明：SpaceX公司开辟了“筷子”捕获臂回收的新道路，这条新道路直指火箭的快速完全复用方案，将彻底改变人类进入太空的方式。
“筷子”捕获臂回收于2020年底概念成型，其基本出发点是火箭应该做到飞机一样的起飞、着陆及快速的再次起飞。在“星舰”之前，世界上唯一的重复使用火箭是使用着陆腿回收方式的猎鹰九号。根据对猎鹰九号的统计分析，其在回收后需要经过约50天才能复飞，着陆腿的检修维护时间占有相当大的比例。这意味着“星舰”采用“筷子”捕获臂回收的技术路线为必然选择。
“筷子”捕获臂回收原理示意图
“星舰”的不锈钢结构+“筷子”捕获臂回收方案与传统火箭铝合金结构+着陆腿回收方案大相径庭，在研制过程中曾受到过相当的质疑。从2023年4月20日到2024年10月13日，“星舰”完成了五次飞行，其超重助推器捕获回收达成重大突破，“星舰”飞船级完成精准再入和软着陆。至此，火箭不锈钢结构+“筷子”捕获臂回收方案得到了充分展示和证明。
网易科技：与传统着陆腿回收方案相比，“筷子”捕获臂回收有哪些优缺点？是否是火箭回收方式的更优选择？
唐文博士：首先我们需要明确，低成本是商业航天发展第一要义，重复使用是途径，回收是实现该目的的手段。
具体来讲，筷子捕获臂回收比着陆腿回收，在应用场景、火箭可靠性、运力、制造及使用成本、复用速度等方面均有优势，在技术复杂度和安全控制要求上则更高。
“筷子”捕获臂回收vs着陆腿回收
目前，筷子捕获臂回收已经实现了一子级的成功回收，其二子级回收的路径亦非常清晰，属于完全回收复用。而着陆腿回收仅实现了火箭一子级回收，属于部分回收复用。并且由于筷子捕获臂回收时火箭无需搭载着陆腿（包括复材结构、展开动作机构、配套能源等一系列产品），其方案更为简单可靠。
就运力、制造成本和复用速度而言，筷子捕获臂回收亦具有明显优势。根据合理估计，在着陆腿方案中，火箭飞行全程携带着陆腿重量，相比捕获臂回收方案约损失4吨运力。
另外，筷子捕获臂回收方式在重量、体积、使用环境等边界上更宽松友好。据合理估计，“筷子”捕获臂使用次数不少于1000次，单次使用成本约2万元；着陆腿制造成本平均1200万元，使用次数约20次，单次使用成本为“筷子”三十倍。就复用速度而言，根据“星舰”的验证情况，“筷子”捕获臂复用速度可达到小时级，而着陆腿回收由于着陆腿复材结构检修维护的复杂性，其复用速度难以突破20天。
然而，在技术复杂度和安全控制方面，“筷子”捕获臂则具有更高的技术难度。捕获臂回收的最关键环节在于火箭与捕获臂的配合抓取，二者的配合涉及跨学科跨尺度的多个技术因素和控制策略，比着陆腿更为复杂。另外，在安全控制层面，若捕获臂回收失败，最恶劣情况下将会损毁发射塔及周边设施。
因此在采用筷子捕获臂方案时，火箭公司必须不断检查捕获臂和火箭状态，进行实时控制与调整。
网易科技：请您具体展开“筷子”捕获臂回收技术有哪些关键难点？该回收技术在我国发展得如何？
唐文博士：捕获臂回收有三项关键技术：回收落点控制技术、箭臂配合抓取动作技术和捕获臂结构设计技术。
第一，回收落点控制技术主要包括：1）大气层外发动机点火初始落点控制；2）大气层内栅格舵控制；3）着陆段发动机点火落点控制。目前国内上述技术在国家队及商业火箭公司有积累及部分验证，例如垂直起降试验就是对第3）部分进行了原理性验证，但验证火箭的规模、工况与真实飞行有较大差距，全流程的回收落点控制验证仍需要通过可回收火箭的真实飞行来开展。
第二，火箭与捕获臂配合抓取动作技术主要包括：
1）实时监测感知：捕获系统全天候高精度感知火箭的速度、高度、方位位置；
2）实时决策：火箭降落过程中，根据感知信息，快速动态的调整捕获臂展开角度，以实现精准捕获；
3）动态适应执行：捕获臂的抓取执行速度快慢自如，能够在火箭降落阶段迅速靠近并迅速停止进行抓取。国家队及商业火箭公司对上述技术没有相应的积累，航天类似的应用场景比如空间站对接尽管精度较高，但是长时间且相对慢速。
第三，捕获臂结构设计技术需要考虑：
1）展开和收回的机制能够快速、精确地执行任务；
2）在多次回收中反复使用。这要求捕获臂具备足够的刚性和稳定性以应对自身展开收回及火箭带来的动态负荷和振动。同时，捕获臂还需要具备适当的柔韧性以适应火箭的运动和姿态变化，如配备液压缓冲装置，在抓取过程中吸收冲击力，确保抓取稳定性。
目前，我国国家队及商业火箭公司对上述技术积累很少，类似应用场景如火箭起竖臂动作慢速单一，没有动态负荷和振动。
02 中国商业航天，路在何方？
网易科技：自2014年国务院首次出台鼓励民间资本参与商业航天的指导意见以来，我国商业航天已发展近十年。您如何评价中国商业航天的发展历程？有哪些“痛点”亟待跨越？未来方向在何方？
唐文博士：2015以来，国家层面对商业航天政策逐渐放开和明确，商业火箭公司不断出现。但在2023年以前，卫星市场未出现显著增长，客户绝大部分为体制内卫星院所，卫星发射服务份额绝大部分仍为国家队占据。
2015到2023年，商业火箭公司的市场定位为国家队的补充，技术和供应链亦多来源于国家队，火箭价格相对国家队并无明显优势。
因此商业航天份额极其有限，2023年全年中国航天发射67次，商业火箭仅13次，其中300kg运力的小固体火箭由于总价低占据了部分小卫星发射的利基市场，2023年发射次数9次。
2023年，在国家安全需求和巨大商业潜力的推动下，星网集团的GW星座计划和垣信卫星的千帆星座计划总规模近三万颗卫星，正式开始进行卫星组网布局。
2023年，是商业火箭走向商业模式闭环的元年。两大集团的两大星座明确组网，为商业火箭公司提供了最可触达且最清晰的市场需求。
具体测算而言，单星重量按照500kg，发射价格按照4万/kg估计，该增量市场达5600亿，年均发射次数将达到约500次。随着卫星5~7年寿命更新迭代，还会持续带来补网需求。
我国“千帆星座”部署计划和GW星网计划
伴随着新的市场增量，两大星座客户亦为火箭公司提出了新要求。根据发射计划估算，星座客户对火箭的运力要求不低于6.5吨，单位载荷入轨目标成本在2.8万/kg以内。目前来看，各商业火箭公司的既有产品暂无法满足客户需求，星座客户只能使用国家队火箭。
在此背景下，低成本、可快速复用的4米以上直径火箭为商业航天发展的必然选择。只有4米级，才具备足够大的运力；只有重复使用，才能把成本降低，满足星座客户的发射需要。各家商业火箭公司纷纷布局4米级重复使用火箭，新箭首飞时间预计在2025-2026年。
到2028年，星座客户每年200~500次发射规模足够容纳5家商业火箭公司，火箭发射价格下降是必然趋势。在满足运力的前提下，更低的价格意味着更多的市场份额。商业火箭公司将会进入长期“价格战”，成本最低、产能最高的方案将会最终胜出。
网易科技：您认为何哪种火箭方案为商业航天的终局？
唐文博士：火箭回收复用的发展有三个阶段。第一阶段，一次性火箭，不能回收复用；第二阶段，一子级回收复用；第三阶段，一、二子级均回收复用，即完全重复使用。目前中国的商业火箭处于第一阶段向第二阶段的发展过程中。
在第二阶段，要保证一子级回收下的运力仍能服务星座组网，箭体直径需至少达到4米级；在第三阶段，要保证一、二子级回收下的运力，箭体直径保守估计需达到6米级以上，未来若拓展到深空探测、空间货运，则箭体直径需达到10米级。
理论上来说，不锈钢火箭和铝合金火箭都可以使用“筷子”捕获臂回收，但从性能和经济性的角度而言，不锈钢火箭+“筷子”捕获臂回收在两个阶段均有明显优势，同时在火箭从第二阶段向第三阶段发展时，箭体直径的跨越，会给铝合金火箭带来非常高的技术障碍和成本障碍。
首先，就基本的材料及力学理论而言，不锈钢的熔点约1400℃，不锈钢400℃的高温强度极限为500MPa；铝合金的熔点约600℃，铝合金200℃的高温强度极限为135MPa。
故铝合金使用温度上限一般不能超过200℃，因此不锈钢相比铝合金有更优异的耐气动加热和耐气动作用力的能力。
火箭一子级在返回“筷子”捕获臂时，箭体从约100km高度再入大气层，与大气的相对运动摩擦产生气动加热和气动作用力。
火箭速度越快，大气越稠密，气动加热越强，气动作用力越大，同时气动加热会使箭体结构温度升高，箭体结构的强度下降。
不锈钢火箭与铝合金火箭大气燃烧实况对比
在此过程中，铝合金火箭需要进行一次再入点火，消耗能量降低火箭速度，使气动加热及气动作用力与铝合金结构性能相匹配，保证结构完整性；
而不锈钢火箭则可以凭借其材料的强大性能，不需要再入点火即可直接高速穿过大气，从而较铝合金火箭回收方案消耗更少的能量，拥有更强的运载能力。
SpaceX发射经验亦为我们提供了佐证。以猎鹰九号为例，其在60-40km的高度进行再入点火减速，发动机工作时间约20s，再入点火燃料消耗约20吨，此部分能量损耗降低了猎鹰九号20%的运力。
历史上，“星舰”三次飞行充分证明了不锈钢火箭耐气动加热和耐气动作用力的能力，不需要再入点火。
2024年3月14日，“星舰”三飞首次完成了“星舰”一子级的再入，再入过程中“星舰”一子级持续加速，T+00:06:35，达到最大速度4340km/h，此时高度为25km，全程无再入点火。
2024年6月6日，“星舰”四飞第二次完成了“星舰”一子级的再入，再入过程与“星舰”三飞基本一致，T+00:06:36，达到最大速度4464km/h，此时高度为26km，全程无再入点火。
2024年10月13日，“星舰”五飞第三次完成了“星舰”一子级的再入，T+00:05:56，达到最大速度4395km/h，此时高度为26km，全程无再入点火。
“星舰”三飞首次完成了“星舰”一子级的再入
“星舰”二子级已经在“星舰”四飞和“星舰”五飞中完成了再入验证，未来也将由“筷子”捕获臂回收。二子级的再入速度远高于一子级，箭体结构迎风面需要覆盖由隔热瓦组成的防热层，若采用铝合金方案二子级，将需要比不锈钢方案覆盖更厚重、更大范围的防热层。
按照热屏蔽后达到不锈钢火箭同等强度估算，铝合金结构方案重量增加一倍。“星舰”二子级防热系统重量为10.5吨，则同等规模铝合金火箭防热系统将增重约10吨，意味着损失10吨运力。
因此，不锈钢火箭和铝合金火箭性能上的差异，使二者在经济性上也拉开了差距。
一子级回收时，铝合金火箭运力相比不锈钢火箭损失约1/5，按照服务星座组网的4米级商业火箭运力15吨、运力价格2万元/kg估算，铝合金方案运力损失达6000万元。二子级回收时，按照10米级火箭二子级，铝合金火箭运力损失10吨估算，铝合金收益损失为2亿。
03 中国商业航天正面临奇点一刻，初创火箭公司正迎来历史性机遇
网易科技：在此背景下，初创商业火箭公司是否存在发展机遇，又有哪些挑战？
唐文博士：当前确实为我国商业火箭公司发展的关键一刻。初创商业火箭公司既面临着实现弯道超车的历史性机遇，同时也需保持冷静，全力应对挑战。
历史性机遇主要表现为：
1）卫星大规模组网需求下，当前商业火箭既有型号尚无法满足客户需求，市场格局尚未真正形成，初创商业火箭公司仍有生存空间；
2）老牌商业火箭公司产品开发进度暂未达预期，新玩家仍有生存空间；
3）老牌商业火箭公司技术路线绑定较深，新玩家通过更好的技术路线有机会进行弯道超车；
4）老牌商业火箭公司估值高企，运营及研发成本较高，新玩家可凭借其后发优势轻装上阵，策略选择更为灵活；
5）历史上，老牌商业火箭公司在基础设施上已投入大量资本，当前时点供应链更为成熟，新玩家具有整合优势。
机遇同时伴随挑战，包括：
1）新玩家是否具有持续融资能力；
2）新玩家是否能够突破既有技术路线进行差异化超越；
3）新玩家是否具备强大的技术储备和研发能力，成功追赶老牌商业火箭公司的历史积累；
4）新玩家是否能够吸引到足够多的的火箭研发人才，组建建制完整、能力卓越的火箭团队。
网易科技：在当前历史性机遇下，您有哪些技术路线和发展思路可供分享？
唐文博士：宇石空间团队深耕4年，聚焦一型不锈钢火箭，全面对标Starship产品，是目前国内唯一采用不锈钢火箭+“筷子”捕获臂回收方案的团队。4年来，宇石空间已实现从材料级、组件级、整箱级到全箭级的不锈钢设计闭环，并已实现从设计到生产、工艺、试验的全面突破。
对于“筷子”捕获臂回收方案，宇石空间团队依托中美航天航空+机器人领域复合背景，自2017年深耕回收落点控制技术研究，2019年已完成飞行试验验证；团队依托海外项目积累已全面掌握捕获臂结构设计、计算机视觉融合识别抓取技术及不锈钢火箭结构快速实时检测技术，可实现全天候复杂环境下的火箭原位回收原位复用。
网易科技：对于火箭“筷子”捕获臂回收技术而言，您认为哪些试验和研发节点至关重要？
唐文博士：我认为有7个里程碑，对于火箭公司发展至关重要。具体包括：
1）捕获臂缓冲系统试验，其关键在于验证捕获臂缓冲系统的动作及缓冲能力是否满足使用要求；
2）捕获臂承载试验，其关键在于验证捕获臂是否承受火箭降落载荷；
3）捕获臂展开收回动作试验，其关键在于验证捕获臂展开及收回动作、加速、减速性能是否满足使用要求；
4）捕获臂地面模拟捕获试验，其关键在于验证捕获臂在地面状态，对于不同速度和姿态的模拟件，是否能从感知、决策到执行全链路完成自主调整及抓取动作；
5）捕获臂塔架模拟捕获试验，其关键在于验证捕获臂与塔架联合动作能否满足使用要求；
6）一子级回收再入测试，其关键在于验证并积累一子级火箭的回收落点精度能否满足正式进行捕获臂回收任务的要求；
7）捕获臂回收试验，其关键在于验证全尺寸正式工况下一子级火箭的捕获臂回收。
