SpaceX预计近期马上就会进行星舰Starship的第五次全栈测试飞行。Elon Musk多次提到过，此次发射大概率将会测试超级重型推进器被像用筷子（筷子是被称为“机械哥斯拉”Mechazilla的机械塔臂）一样夹住回收。
Source: Everyday Astronaut
星舰的超级重型推进器（Super Heavy Booster）将会如何被夹住回收？视频博主 Tim Dodd（Everyday Astronaut，每日宇航员）刚发布了视频 “How SpaceX Plans To CATCH A Rocket From Space!“，对此进行了分析。Tim从火箭的设计、飞行过程、捕捉机制、技术挑战及背后驱动这一计划的原因五个方面进行详细解析。
1. 火箭设计与助推器的基本结构
Starship是迄今为止制造的最大、最强大的火箭，整体高度达121.3米，宽9米，重量超过5000吨。要将如此庞大的结构送入太空，助推器依赖33台Raptor引擎。Raptor引擎采用全流分级燃烧循环（Full Flow Staged Combustion Cycle），这是目前最先进的火箭发动机设计之一。
每次发射时，助推器引擎会在倒计时3秒时启动，迅速达到75兆牛顿的推力。随着助推器超过重力，火箭在T+2秒时离开发射台，进入空中。火箭在大约两分半钟内爬升至70公里的高度，并且在飞行过程中已经向下方移动了60公里。此时，大部分引擎关闭，但仍保持3台引擎运行，以执行被称为“热分离”（hot staging）的技术。这一技术允许上级火箭的引擎在与助推器仍相连时点火，以提高火箭的性能并简化上级引擎的启动过程。
2. 助推器的回收过程
助推器在完成热分离后开始转向，执行回收任务。助推器回收的关键在于它的“反推燃烧”（boost back burn），这是助推器转向发射场的关键步骤。反推燃烧过程持续53秒，改变助推器的轨迹，使其能够重新返回发射场，而不是像早期的火箭回收那样在海上回收平台上着陆。
回收过程中，助推器会利用4个巨大的栅格翼（grid fins）进行精确控制。这些栅格翼由电动马达驱动，而这些电机是由特斯拉公司提供的。这些栅格翼和燃烧产生的推力帮助火箭在大气层中调整姿态，使其能够精准返回发射场。与Falcon 9不同，超级重型助推器的坚固结构使得它可以完全省去Falcon 9使用的“入口燃烧”（entry burn），直接依靠不锈钢结构承受再入时的高温和摩擦，这大大提升了助推器的燃料效率。
在飞行过程中，助推器以一定角度飞行，这种方式通过大气阻力降低速度，同时借助空气流动产生一定的升力，进一步减少反推燃烧的需求，从而节省燃料。
3. 捕捉机制与机械臂塔的功能
SpaceX计划使用巨大的机械臂塔——Mechazilla来捕捉返回的助推器。这种“捕捉”实际上并不是真正的抓取，而是助推器通过引擎精准控制，几乎悬停在机械臂塔上，并轻柔地落在机械臂的“捕捉点”上。助推器的底部有专门设计的结构，可以与机械臂塔上的“捕捉轨道”相吻合，确保助推器安全稳定地停留在塔上。
捕捉的关键在于助推器的最后阶段着陆燃烧。此时，13台Raptor引擎点火，减速进入最后阶段。当助推器接近塔时，10台引擎关闭，剩下的3台引擎用于精准控制助推器的降落。与Falcon 9不同，超级重型助推器在这个阶段可以依靠三台引擎进行更精细的控制，使得它可以“悬停”，这是一种可以极大提升着陆精度的优势。
机械臂塔在捕捉助推器时不会主动移动或调整位置，整个过程依赖于助推器极高的飞行精度。据SpaceX的副总裁Bill Gerstenmaier所说，SpaceX在第四次飞行测试中，助推器的着陆精度已经达到了0.5厘米，这说明这种复杂的控制系统已经非常精确。
4. 技术挑战与风险管理
SpaceX的这个计划充满了挑战。首先，助推器从高空返回时速度极快，空气阻力、气流的变化都会影响其精确控制。而且，即便在引擎关闭后的短暂悬停阶段，也需要高度的技术来确保助推器能安全地落在机械臂塔上。此外，助推器没有像Falcon 9那样的着陆腿，这虽然降低了火箭的质量，但也意味着任何着陆误差都可能导致严重的事故。
虽然这个计划听起来非常危险，但SpaceX已经通过多次测试积累了经验。例如，之前Starship的多次高空跳跃测试几乎都在发射场爆炸，但对设施的损坏却相对较小。此外，在助推器返回时，其几乎已经耗尽燃料，因此即便发生事故，爆炸的威力也不会像发射初期那么大。
5. 为什么要冒这个风险？
SpaceX为何要进行这样复杂的回收操作？最根本的原因在于提高火箭的性能、减少成本，并缩短发射后的周转时间。通过取消助推器的着陆腿，SpaceX能够减轻火箭的总重量，从而提升火箭的推力和效率。更重要的是，随着回收技术的成熟，助推器可以在同一天内多次发射，极大提高发射频率，减少成本。
在成本方面，传统的海上回收方式需要动用昂贵的海上平台，并且将助推器从海上运回地面也会消耗大量时间和资源。而如果能通过机械臂塔直接在发射场回收助推器，SpaceX可以大大缩短火箭的复用时间。
此外，SpaceX认为，尽早开始这些测试可以为未来优化技术提供宝贵的数据。虽然在测试初期，可能会有失败，但每一次失败都是进步的机会。而最终目标是实现火箭的快速复用，从而大幅降低太空探索的成本。