正文 第249章 火箭发射
外的燃料会增加重量，这些重量也需要被加速，从而进一步降低效率。
齐奥尔科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原来的e??倍（其中e为自然常数，约等于2718），这意味着你需要大约739倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度变为原来的三倍（这需要九倍的动能），你需要e??倍的燃料，约为209倍。要使速度变为原来的四倍，需要e??倍的燃料，约为546倍；要使速度变为原来的五倍，需要e??倍的燃料，约为148倍。这就是我们所说的“火箭方程的暴政”。当在有巨大物体（如行星）可借助施力时，提高速度所需的能量与速度的平方成正比。例如，将速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍，所需的动能分别为原来的4倍、9倍、16倍、25倍和36倍。然而，对于火箭来说，所需燃料的增长比例是e??、e??、e??等，这意味着速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍时，所需燃料分别为原来的7倍、20倍、55倍、148倍和403倍。要达到20倍的排气速度，火箭需要的燃料量约为初始燃料量的500万倍，而使用传统火箭燃料，其速度只能达到70至90公里/秒，即使以这样的速度，前往半人马座阿尔法星仍需要15000至19000年，并且需要消耗不切实际的大量推进剂。化学燃料不适合星际旅行，这就是为什么我们要探索原子火箭等概念——更多相关内容，请查看关于猎户座驱动器或美杜莎驱动器的epides。不过今天，我们的重点是离开地球，前往离地球相对较近的目的地，如地球同步轨道、月球和火星。
我需要强调的是，质量驱动器是一项远不如火箭成熟的技术。人类已经花了近一个世纪的时间来完善火箭技术——2026年将是戈达德实验的100周年纪念。而质量驱动器在该领域相对较新。杰拉尔德??k??奥尼尔和他的一些合作者，如亨利??科尔姆、比尔??韦顿、比尔??斯诺和凯文??费恩等人，在20世纪70年代末的一个实验室中开发了一些线圈炮原型。用于从航空母舰上发射飞机的直线电机，即电磁飞机弹射系统，于2009年进行了原型测试，并于2015年安装在第一艘航空母舰上。因此，火箭具有巨大的先发优势，但随着我们对太空探索需求的增长，火箭的替代方案也变得越来越有吸引力。spacex等公司最近的进展刺激了太空经济的发展，而这一切都是通过火箭实现的，但这种不断增长的需求最终可能会推动质量驱动器和其他非火箭发射系统的发展。与质量驱动器相比，火箭的前期成本（资本成本）更低，但运营成本更高，因此在太空探索需求有限的情况下，火箭在经济上更具吸引力。质量驱动器通常被认为是一种资本成本高但运营成本低得多的技术——一旦建成，它们可以频繁发射有效载荷，且每次发射的成本仅为火箭的一小部分，这使得它们非常适合高吞吐量的运营，例如将数百万人或数百万吨货物送入太空。这不仅仅是能源成本的下降——事实上，燃料在现代火箭的成本中占比并不大。火箭有许多复杂的系统，这些系统必须在接近故障点的状态下运行，且冗余度极低，以减轻重量。正是为了实现极高的性能和相对于组件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而质量驱动器是固定的基础设施，更像是桥梁或隧道，因此可以采用更保守的工程设计。
另一个推动变革的因素是，我们越来越需要寻找替代那些严重依赖化石燃料或温室气体排放量高的技术。质量驱动器可以由清洁的可再生能源提供动力，如太阳能、核能或水力发电。太阳能在太空环境中尤其具有优势，例如在月球两极，太阳能资源丰富且可持续。利用质量驱动器技术，实现太空发射的电气化具有明确的发展路径，因为质量驱动器能高效地将电能转化为动能——而这对于长途航空旅行等领域来说目前还无法实现，因为电池的能量密度还远不及航空燃料。在地球上，发射过程中温室气体排放的减少可能会使质量驱动器成为火箭的一个有吸引力的替代方案，因为我们正在寻求更环保的发射方式。
安全性是质量驱动器的另一个显著优势。火箭携带大量挥发性推进剂，在发射过程中可能会带来重大风险。它们过于危险且噪音巨大，无法靠近人类居住区。这就导致了一系列旨在确保公众安全利益得到持续优先考虑的法规，但发射提供商可能会认为这些法规繁琐不堪。此外，人们还必须从发射台周围和下风向区域疏散。而使用质量驱动器发射的航天器不太可能偏离轨道，因为航天器是沿着轨道飞行的，而且它们携带的燃料很少，这显著降低了在人口密集地区发生爆炸事故的风险。
当人们猜测为什么我们还没有使用质量驱动器来发射航天器时，他们有时会提出一些担忧，例如建造长距离真空管道的难度，或者航天器从发射管道到太空边缘的飞行路径问题，但针对这些问题，已经提出了合理的解决方案——至少在理论上，这些解决方案并不违反任何物理定律或工程原理。即使质量驱动器发生灾难性故障，导致部件从空中坠落，也可以通过安装降落伞或将其建在远离人口密集地区的地方来解决，将其建在海洋中也是一个选择，这样可以避免诸如土地征用等其他问题。
真正尚未解决的问题是，我们最有经验的那种直线电机，当试图将其升级到太空飞行所需的速度时，成本会变得非常高昂。这个问题与能量快速转换的成本有关——通常在质量驱动器中，储存的电能会迅速转化为动能。假设我们希望将一个有效载荷以恒定加速度从0加速到8000米/秒：将1千克的物体从0加速到1米/秒仅需要05焦耳的能量；而将同样1千克的物体从7999米/秒加速到8000米/秒，则大约需要8000焦耳的能量。因此，峰值功率将出现在质量驱动器的末端，且该峰值功率与出口速度的平方成正比。如果质量驱动器需要长达数公里的长度才能使加速度处于可承受的水平，那么能量转换硬件就需要沿着质量驱动器的长度分布安装。
让我们设想一下，质量驱动器由许多电磁铁组成，每个电磁铁都配备了一些功率电子设备来控制其开关。假设这个质量驱动器设计用于将航天器以10倍重力加速度（约100米/秒??）的恒定加速度从0加速到8000米/秒。将目标速度除以加速度，得到加速到8000米/秒所需的时间为80秒。但在第一秒内，航天器仅飞行50米；而在最后一秒内，它将飞行7950米。因此，航天器在最后一秒内经过的电磁铁数量比第一秒内多得多——不仅是更多的电磁铁，还有更多控制这些电磁铁开关的功率电子设备。当你计算（或积分）分布在质量驱动器长度上的所有更高功率储能和功率调节硬件组件的成本时，硬件的总成本大致与质量驱动器出口速度的立方成正比。这仍然比火箭要好，但成本仍然高得令人望而却步。
然而，有一些更新的质量驱动器架构，它们对分布在整个质量驱动器长度上的昂贵功率调节硬件的依赖程度较低。其中一种架构是变螺距螺杆发射器——它通过电动机在较长时间内使螺杆旋转加速，这降低了电能到动能转换相关的功率需求，然后螺杆的动能以不需要能量转换和昂贵功率电子设备的方式快速直接传递给航天器。要理解其工作原理，可能首先需要了解磁性齿轮的工作原理。磁性齿轮的功能与普通齿轮相同，但它不依赖齿轮齿之间的机械接触，而是利用设计成相互啮合的磁场。磁性齿轮就像机械齿轮一样，只是它在齿轮之间没有物理接触的情况下工作。蜗杆齿轮是另一种齿轮，其中一个齿轮是螺旋形的，另一个是普通齿轮。带移动螺母的丝杠的工作原理有点像蜗杆齿轮，只是它的螺旋齿轮将旋转运动转化为直线运动。这些被称为磁性丝杠驱动直线执行器的设备已经在一些研究实验室中制造出来。变螺距螺杆发射器是一种磁性丝杠驱动直线执行器，不同之处在于，由于螺杆具有变螺距，当螺杆以恒定速度旋转时，移动螺母会加速。
通过这种架构，电能会在航天器到达之前的很长一段时间内逐渐转化为旋转螺杆（以及螺杆内部的飞轮）的动能。由于这种能量转换是在数分钟而不是微秒内完成的，功率较低，因此功率调节硬件的成本也较低。事实上，这种转换是通过螺杆内部的电动机完成的，就像你在普通量产电动汽车中找到的高效电动机一样。一旦螺杆加速到全速，它们就会以恒定的转速继续旋转。有一种称为自适应移动螺母的装置，它通过磁场与螺杆的螺纹耦合，而无需直接物理接触。这个组件被螺杆加速，并推动磁悬浮滑板上的航天器沿着质量驱动器的长度前进。变螺距螺杆发射器的螺杆由钢制成，钢是一种相对便宜的材料——我们甚至可以想象用石墨烯等材料制造强度更高、能够允许更高发射速度的螺杆，但要进入近地轨道，我们并不需要这么高的速度。由于螺杆留在地球（或安装质量驱动器的任何行星或月球）上，它们不需要按照火箭设计中通常采用的那种极高精度的工程裕度进行设计，因此制造成本相对较低。这有助于使该技术的资本成本处于大型太空计划的预算范围内。
这种发射器的一个版本于2024年在阿姆斯特丹举行的电磁发射会议上进行了展示，也在由英国行星学会主办的“重塑太空”会议上进行了展示，并且在电磁发射会议的论
齐奥尔科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原来的e??倍（其中e为自然常数，约等于2718），这意味着你需要大约739倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度变为原来的三倍（这需要九倍的动能），你需要e??倍的燃料，约为209倍。要使速度变为原来的四倍，需要e??倍的燃料，约为546倍；要使速度变为原来的五倍，需要e??倍的燃料，约为148倍。这就是我们所说的“火箭方程的暴政”。当在有巨大物体（如行星）可借助施力时，提高速度所需的能量与速度的平方成正比。例如，将速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍，所需的动能分别为原来的4倍、9倍、16倍、25倍和36倍。然而，对于火箭来说，所需燃料的增长比例是e??、e??、e??等，这意味着速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍时，所需燃料分别为原来的7倍、20倍、55倍、148倍和403倍。要达到20倍的排气速度，火箭需要的燃料量约为初始燃料量的500万倍，而使用传统火箭燃料，其速度只能达到70至90公里/秒，即使以这样的速度，前往半人马座阿尔法星仍需要15000至19000年，并且需要消耗不切实际的大量推进剂。化学燃料不适合星际旅行，这就是为什么我们要探索原子火箭等概念——更多相关内容，请查看关于猎户座驱动器或美杜莎驱动器的epides。不过今天，我们的重点是离开地球，前往离地球相对较近的目的地，如地球同步轨道、月球和火星。
我需要强调的是，质量驱动器是一项远不如火箭成熟的技术。人类已经花了近一个世纪的时间来完善火箭技术——2026年将是戈达德实验的100周年纪念。而质量驱动器在该领域相对较新。杰拉尔德??k??奥尼尔和他的一些合作者，如亨利??科尔姆、比尔??韦顿、比尔??斯诺和凯文??费恩等人，在20世纪70年代末的一个实验室中开发了一些线圈炮原型。用于从航空母舰上发射飞机的直线电机，即电磁飞机弹射系统，于2009年进行了原型测试，并于2015年安装在第一艘航空母舰上。因此，火箭具有巨大的先发优势，但随着我们对太空探索需求的增长，火箭的替代方案也变得越来越有吸引力。spacex等公司最近的进展刺激了太空经济的发展，而这一切都是通过火箭实现的，但这种不断增长的需求最终可能会推动质量驱动器和其他非火箭发射系统的发展。与质量驱动器相比，火箭的前期成本（资本成本）更低，但运营成本更高，因此在太空探索需求有限的情况下，火箭在经济上更具吸引力。质量驱动器通常被认为是一种资本成本高但运营成本低得多的技术——一旦建成，它们可以频繁发射有效载荷，且每次发射的成本仅为火箭的一小部分，这使得它们非常适合高吞吐量的运营，例如将数百万人或数百万吨货物送入太空。这不仅仅是能源成本的下降——事实上，燃料在现代火箭的成本中占比并不大。火箭有许多复杂的系统，这些系统必须在接近故障点的状态下运行，且冗余度极低，以减轻重量。正是为了实现极高的性能和相对于组件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而质量驱动器是固定的基础设施，更像是桥梁或隧道，因此可以采用更保守的工程设计。
另一个推动变革的因素是，我们越来越需要寻找替代那些严重依赖化石燃料或温室气体排放量高的技术。质量驱动器可以由清洁的可再生能源提供动力，如太阳能、核能或水力发电。太阳能在太空环境中尤其具有优势，例如在月球两极，太阳能资源丰富且可持续。利用质量驱动器技术，实现太空发射的电气化具有明确的发展路径，因为质量驱动器能高效地将电能转化为动能——而这对于长途航空旅行等领域来说目前还无法实现，因为电池的能量密度还远不及航空燃料。在地球上，发射过程中温室气体排放的减少可能会使质量驱动器成为火箭的一个有吸引力的替代方案，因为我们正在寻求更环保的发射方式。
安全性是质量驱动器的另一个显著优势。火箭携带大量挥发性推进剂，在发射过程中可能会带来重大风险。它们过于危险且噪音巨大，无法靠近人类居住区。这就导致了一系列旨在确保公众安全利益得到持续优先考虑的法规，但发射提供商可能会认为这些法规繁琐不堪。此外，人们还必须从发射台周围和下风向区域疏散。而使用质量驱动器发射的航天器不太可能偏离轨道，因为航天器是沿着轨道飞行的，而且它们携带的燃料很少，这显著降低了在人口密集地区发生爆炸事故的风险。
当人们猜测为什么我们还没有使用质量驱动器来发射航天器时，他们有时会提出一些担忧，例如建造长距离真空管道的难度，或者航天器从发射管道到太空边缘的飞行路径问题，但针对这些问题，已经提出了合理的解决方案——至少在理论上，这些解决方案并不违反任何物理定律或工程原理。即使质量驱动器发生灾难性故障，导致部件从空中坠落，也可以通过安装降落伞或将其建在远离人口密集地区的地方来解决，将其建在海洋中也是一个选择，这样可以避免诸如土地征用等其他问题。
真正尚未解决的问题是，我们最有经验的那种直线电机，当试图将其升级到太空飞行所需的速度时，成本会变得非常高昂。这个问题与能量快速转换的成本有关——通常在质量驱动器中，储存的电能会迅速转化为动能。假设我们希望将一个有效载荷以恒定加速度从0加速到8000米/秒：将1千克的物体从0加速到1米/秒仅需要05焦耳的能量；而将同样1千克的物体从7999米/秒加速到8000米/秒，则大约需要8000焦耳的能量。因此，峰值功率将出现在质量驱动器的末端，且该峰值功率与出口速度的平方成正比。如果质量驱动器需要长达数公里的长度才能使加速度处于可承受的水平，那么能量转换硬件就需要沿着质量驱动器的长度分布安装。
让我们设想一下，质量驱动器由许多电磁铁组成，每个电磁铁都配备了一些功率电子设备来控制其开关。假设这个质量驱动器设计用于将航天器以10倍重力加速度（约100米/秒??）的恒定加速度从0加速到8000米/秒。将目标速度除以加速度，得到加速到8000米/秒所需的时间为80秒。但在第一秒内，航天器仅飞行50米；而在最后一秒内，它将飞行7950米。因此，航天器在最后一秒内经过的电磁铁数量比第一秒内多得多——不仅是更多的电磁铁，还有更多控制这些电磁铁开关的功率电子设备。当你计算（或积分）分布在质量驱动器长度上的所有更高功率储能和功率调节硬件组件的成本时，硬件的总成本大致与质量驱动器出口速度的立方成正比。这仍然比火箭要好，但成本仍然高得令人望而却步。
然而，有一些更新的质量驱动器架构，它们对分布在整个质量驱动器长度上的昂贵功率调节硬件的依赖程度较低。其中一种架构是变螺距螺杆发射器——它通过电动机在较长时间内使螺杆旋转加速，这降低了电能到动能转换相关的功率需求，然后螺杆的动能以不需要能量转换和昂贵功率电子设备的方式快速直接传递给航天器。要理解其工作原理，可能首先需要了解磁性齿轮的工作原理。磁性齿轮的功能与普通齿轮相同，但它不依赖齿轮齿之间的机械接触，而是利用设计成相互啮合的磁场。磁性齿轮就像机械齿轮一样，只是它在齿轮之间没有物理接触的情况下工作。蜗杆齿轮是另一种齿轮，其中一个齿轮是螺旋形的，另一个是普通齿轮。带移动螺母的丝杠的工作原理有点像蜗杆齿轮，只是它的螺旋齿轮将旋转运动转化为直线运动。这些被称为磁性丝杠驱动直线执行器的设备已经在一些研究实验室中制造出来。变螺距螺杆发射器是一种磁性丝杠驱动直线执行器，不同之处在于，由于螺杆具有变螺距，当螺杆以恒定速度旋转时，移动螺母会加速。
通过这种架构，电能会在航天器到达之前的很长一段时间内逐渐转化为旋转螺杆（以及螺杆内部的飞轮）的动能。由于这种能量转换是在数分钟而不是微秒内完成的，功率较低，因此功率调节硬件的成本也较低。事实上，这种转换是通过螺杆内部的电动机完成的，就像你在普通量产电动汽车中找到的高效电动机一样。一旦螺杆加速到全速，它们就会以恒定的转速继续旋转。有一种称为自适应移动螺母的装置，它通过磁场与螺杆的螺纹耦合，而无需直接物理接触。这个组件被螺杆加速，并推动磁悬浮滑板上的航天器沿着质量驱动器的长度前进。变螺距螺杆发射器的螺杆由钢制成，钢是一种相对便宜的材料——我们甚至可以想象用石墨烯等材料制造强度更高、能够允许更高发射速度的螺杆，但要进入近地轨道，我们并不需要这么高的速度。由于螺杆留在地球（或安装质量驱动器的任何行星或月球）上，它们不需要按照火箭设计中通常采用的那种极高精度的工程裕度进行设计，因此制造成本相对较低。这有助于使该技术的资本成本处于大型太空计划的预算范围内。
这种发射器的一个版本于2024年在阿姆斯特丹举行的电磁发射会议上进行了展示，也在由英国行星学会主办的“重塑太空”会议上进行了展示，并且在电磁发射会议的论
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