马斯克星舰第四次试飞难度堪比登月？登月着陆使用的是可回收火箭技术吗？

马斯克的SpaceX进行了星舰第四次试飞，取得了首次完满成功，一级火箭和带着飞船的二级火箭均以软着陆的垂直姿态溅落预定海域。直播中火箭专家在一开始就指出，星舰的回收比登月还难，但马斯克居然成功了？

（星舰第四次试飞发射，直播截图）

但星舰的成功回收，也给质疑者带来了一个疑问：火箭回收技术是近年才由SpaceX首次实现的火箭受控软着陆技术，为何美国在上世纪60年代末的阿波罗计划就实现了月球软着陆？他们当时没有火箭回收技术，是怎么在月球实现软着陆的？

最早的回收技术——航天飞机

说起火箭回收技术，其实可以追溯到阿波罗计划的时代，那时重复使用的航天飞机就已经被提出来，直到1981年4月12日，首架航天飞机哥伦比亚号试飞成功。但其实航天飞机并非真正意义上的火箭软着陆回收技术，它的一级火箭回收时是通过降落伞实现减速，然后坠入大海，最后重新打捞上岸的。而航天飞机本身就是一个安装了火箭发动机的飞机，采用飞机的外形设计，在完成太空任务重返大气层时，通过机翼设计实现滑翔降落。

（即将发射的航天飞机，图源：NASA）

SpaceX的火箭回收技术是怎么回事？

SpaceX的火箭回收技术则是真正意义上通过软着陆实现的火箭回收技术。它是助推火箭在完成推进任务后，与任务载荷分离后受控返回地面并通过剩余的燃料进行重新点火，最终在火箭反推作用下垂直降落到预定的回收着陆点。

这种回收方式有两个主要难点：

第一个难点是火箭返回着陆点。这一点可能一级火箭会比较容易实现，由于一级火箭的燃料主要用于抬升高度，所以飞行距离相对并不大，这样无论是设置回收着陆点还是火箭返回着陆点都更容易实现，同时一级火箭可以利用着陆支架增加着陆姿态的宽容度，增加着陆成功率。

（SpaceX 火箭回收动图）

但二级火箭不一样，它是在一级火箭分离后继续对飞船载荷实施加速，最终把载荷送入环绕轨道后才实施分离，此时二级火箭已经处于大气层外，要进行回收的话，二级火箭需要重返大气层，但它不可能携带大量燃料进行减速，这会大大缩减载荷的发射重量，因此减速过程一般使用类似返回器的方式，再入大气层后通过浓密大气进行减速。但这种方式存在一个问题，就是在外太空稀薄的空气里返回过程无法获得有效减速，因此当高度下降到100km左右的浓密大气的时候，火箭依然会拥有极高的速度，比如这次星舰二级火箭在重返大气层到达108km高度时，速度依然高达7.4km/s，相比一级火箭分离时，速度仅为1.5km/s。更高的速度也意味着更长距离的滑翔减速，对于回收着陆点的瞄准难度也更大。

（星舰第四次试飞再入大气层，直播截图）

第二个难点是着陆时的姿态调整。这一点同样是一级火箭会更容易，原因就是前面说的着陆支架设计，在二级火箭上就没那么简单了。如前所说，在如此高的速度冲入浓密大气将导致箭体急剧升温，这样将难以保证暴露在外的着陆支架强度和机械活动性能，这些都有待验证，假如无法通过着陆支架增加底部稳定，那对姿态控制和推力控制的精度都是地狱级的！

事实上可能很多人都不知道，目前实际应用的火箭回收技术仅是一级火箭回收，SpaceX的商业发射还没有进行二级火箭回收。而这次星舰的第四次试射却实现了二级火箭的模拟软着陆，也就是以软着陆的姿态溅落海面。

（星舰第四次试飞一级火箭回收，视频动图）

二级火箭软着陆比登月还难？月球着陆器的月面软着陆究竟需不需要火箭回收技术？

在星舰第四次试射的直播中，火箭专家就曾指出这次的回收任务比登月还难，前面我们已经简单解释了二级火箭回收的难度，那它真的比登月还难吗？曾有视频博主就这个问题提出过质疑，认为月面软着陆比马斯克的火箭回收更难，对此我并不同意。

（网络视频截图）

首先是速度差，对于地球轨道的火箭回收，二级火箭一般是把载荷推到环绕轨道，分离返回时速度约7.7km/s（稍低于第一宇宙速度）。而月球轨道200km高度时的环绕速度约1.59km/s，仅比星舰一级火箭分离时的速度高一点点，而在月球轨道所受到的重力加速度比地球小6倍。可见单论减速的难度，火箭回收就远高于月球着陆器。

但是两者的减速方式其实完全不一样，月球上又有没有大气层，减速只能靠着陆器自身的推进器，所以在月球轨道的下降过程属于动力下降，全程都需要燃料推进器实施减速，而这种下降方式的好处就是可操控性更好。这种下降方式的唯一缺点是需要花费大量燃料用于降落。

而地球上由于有大气层，可利用大气阻力实现被动减速，好处自然是节省燃料，这次星舰二级火箭在离地面1km不到时才重新点火，此时火箭已经在空气阻力下减速到323km/h，即0.09km/s左右。

（星舰第四次试飞二级点火软着陆，直播截图）

从动力减速来看，同质量下地球轨道的二级火箭减速所需的动力更小，但操控难度更大。最后在软着陆阶段，看看两者的结构你就知道谁更难。

（月球着陆器，NASA）

最后我简单总结一下两者难度差异：

火箭回收：必须降落在平地。月球着陆器：可以在斜度不太大的斜坡和崎岖月面。

火箭回收：必须垂直降落。月球着陆器：可以斜着降落。

（倾斜的月球着陆器，NASA）

所以，月球软着陆用的不是火箭回收技术，也不需要火箭回收技术。

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