馬斯克的SpaceX進行了星艦第四次試飛，取得了首次完滿成功，一級火箭和帶著飛船的二級火箭均以軟著陸的垂直姿態濺落預定海域。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？

（星艦第四次試飛發射，直播截圖）

但星艦的成功回收，也給質疑者帶來了一個疑問：火箭回收技術是近年才由SpaceX首次實現的火箭受控軟著陸技術，為何美國在上世紀60年代末的阿波羅計劃就實現了月球軟著陸？他們當時沒有火箭回收技術，是怎么在月球實現軟著陸的？

最早的回收技術——航天飛機

說起火箭回收技術，其實可以追溯到阿波羅計劃的時代，那時重復使用的航天飛機就已經被提出來，直到1981年4月12日，首架航天飛機哥倫比亞號試飛成功。但其實航天飛機并非真正意義上的火箭軟著陸回收技術，它的一級火箭回收時是通過降落傘實現減速，然后墜入大海，最后重新打撈上岸的。而航天飛機本身就是一個安裝了火箭發動機的飛機，采用飛機的外形設計，在完成太空任務重返大氣層時，通過機翼設計實現滑翔降落。

（即將發射的航天飛機，圖源：NASA）

SpaceX的火箭回收技術是怎么回事？

SpaceX的火箭回收技術則是真正意義上通過軟著陸實現的火箭回收技術。它是助推火箭在完成推進任務后，與任務載荷分離后受控返回地面并通過剩余的燃料進行重新點火，最終在火箭反推作用下垂直降落到預定的回收著陸點。

這種回收方式有兩個主要難點：

第一個難點是火箭返回著陸點。這一點可能一級火箭會比較容易實現，由于一級火箭的燃料主要用于抬升高度，所以飛行距離相對并不大，這樣無論是設置回收著陸點還是火箭返回著陸點都更容易實現，同時一級火箭可以利用著陸支架增加著陸姿態的寬容度，增加著陸成功率。

（SpaceX火箭回收動圖）

但二級火箭不一樣，它是在一級火箭分離后繼續對飛船載荷實施加速，最終把載荷送入環繞軌道后才實施分離，此時二級火箭已經處于大氣層外，要進行回收的話，二級火箭需要重返大氣層，但它不可能攜帶大量燃料進行減速，這會大大縮減載荷的發射重量，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行減速。但這種方式存在一個問題，就是在外太空稀薄的空氣里返回過程無法獲得有效減速，因此當高度下降到100km左右的濃密大氣的時候，火箭依然會擁有極高的速度，比如這次星艦二級火箭在重返大氣層到達108km高度時，速度依然高達7.4km/s，相比一級火箭分離時，速度僅為1.5km/s。更高的速度也意味著更長距離的滑翔減速，對于回收著陸點的瞄準難度也更大。

（星艦第四次試飛再入大氣層，直播截圖）

第二個難點是著陸時的姿態調整。這一點同樣是一級火箭會更容易，原因就是前面說的著陸支架設計，在二級火箭上就沒那么簡單了。如前所說，在如此高的速度沖入濃密大氣將導致箭體急劇升溫，這樣將難以保證暴露在外的著陸支架強度和機械活動性能，這些都有待驗證，假如無法通過著陸支架增加底部穩定，那對姿態控制和推力控制的精度都是地獄級的！

事實上可能很多人都不知道，目前實際應用的火箭回收技術僅是一級火箭回收，SpaceX的商業發射還沒有進行二級火箭回收。而這次星艦的第四次試射卻實現了二級火箭的模擬軟著陸，也就是以軟著陸的姿態濺落海面。

（星艦第四次試飛一級火箭回收，視頻動圖）

二級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？

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比登月還難，前面我們已經簡單解釋了二級火箭回收的難度，那它真的比登月還難嗎？曾有視頻博主就這個問題提出過質疑，認為月面軟著陸比馬斯克的火箭回收更難，對此我并不同意。

（網絡視頻截圖）

首先是速度差，對于地球軌道的火箭回收，二級火箭一般是把載荷推到環繞軌道，分離返回時速度約7.7km/s（稍低于第一宇宙速度）。而月球軌道200km高度時的環繞速度約1.59km/s，僅比星艦一級火箭分離時的速度高一點點，而在月球軌道所受到的重力加速度比地球小6倍。可見單論減速的難度，火箭回收就遠高于月球著陸器。

但是兩者的減速方式其實完全不一樣，月球上又有沒有大氣層，減速只能靠著陸器自身的推進器，所以在月球軌道的下降過程屬于動力下降，全程都需要燃料推進器實施減速，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是需要花費大量燃料用于降落。

而地球上由于有大氣層，可利用大氣阻力實現被動減速，好處自然是節省燃料，這次星艦二級火箭在離地面1km不到時才重新點火，此時火箭已經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點火軟著陸，直播截圖）

從動力減速來看，同質量下地球軌道的二級火箭減速所需的動力更小，但操控難度更大。最后在軟著陸階段，看看兩者的結構你就知道誰更難。

（月球著陸器，NASA）

最后我簡單總結一下兩者難度差異：

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。

（傾斜的月球著陸器，NASA）

所以，月球軟著陸用的不是火箭回收技術，也不需要火箭回收技術。

我是星宇飄零，關^_^注我，和你分享更多有趣科學知識。

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