正文 第249章 火箭发射
文集中有一篇配套论文，讨论了该发射器在为期22年的火星人类前哨站太空计划中的应用。该论文提出，该发射器及其发射飞行器将在10个火星转移窗口期内，向火星运送总计6152公吨的设备和物资，这大约是一个20年的周期。但我认为，这种质量驱动器的一个关键特征是其成本与出口速度的平方成正比，这使其相比早期的质量驱动器架构具有很大优势——早期架构的成本主要由功率电子设备的成本决定，而功率电子设备的成本与出口速度的立方成正比。
要理解成本与出口速度的平方成正比的重要性，最好在双对数图上绘制成本与速度的关系曲线（对于仅收听音频的观众，该图已显示在屏幕上）。由于变螺距螺杆质量驱动器的成本与出口速度的平方成正比，其成本-速度曲线是一条直线：如果速度翻倍，成本将变为原来的四倍。这条直线的具体位置取决于你所做的假设，例如发射器在其使用寿命内发射的有效载荷数量。该曲线假设发射器在其使用寿命内仅发射6152吨有效载荷——考虑到当它不发射前往火星的物资时，还可以向轨道发射大量其他物资，这一假设可能不太现实。火箭的成本在该图上表现为一条指数曲线。这两条曲线在约9500米/秒的速度增量（deltav）处相交，这大约是火箭进入近地轨道所需的速度增量。因此，这些曲线表明，对于前往近地轨道的任务，火箭的成本与质量驱动器的成本相当——不过再次强调，如果我们向近地轨道发射更多与火星任务无关的货物，质量驱动器的成本将会下降。我们只是在展示在更高速度下，质量驱动器相比火箭的成本优势。但如果我们的目标是将大量有效载荷送往月球或火星，那么就需要更大的速度增量。在这种情况下，火箭的成本会急剧上升，因为它遵循指数曲线。如果任务需要12300米/秒的速度增量，那么质量驱动器的成本将是火箭的1/10；如果任务需要15000米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/100；如果任务需要17800米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/1000；如果任务需要20000米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/10000。
如果你正在规划一项火星任务，并且希望该任务有较高的速度增量预算（例如，为了最大限度地减少机组人员暴露在太空辐射中的时间），或者希望该任务有较高的质量预算（例如，为了派遣更多机组人员、携带更多备件，并加强栖息地的防护，如使用奥尔德林循环舱，那么对于纯化学火箭架构来说，这些选择将大幅增加任务成本。然而，如果该架构使用质量驱动器，那么这些选择只会使成本小幅增加。
让我们回到与质量驱动器相关的其他一些挑战，并讨论一些已提出的应对技术。其中一个挑战是大气加热。我曾谈到了使用主动结构（如洛夫斯特伦环）将整个发射器支撑在80公里的高度，以完全避免大部分气动阻力问题。我们之前讨论过的一项名为“星轨列车”的技术，提出了一种解决方案：在低层大气中，将质量驱动器封闭在真空管道内；在高层大气中，为航天器配备热防护系统，以避免大气加热问题。根据这一概念，整个质量驱动器和大部分真空管道都位于地面，部分位于山侧，其余部分则悬浮在空中。“星轨列车”概念提出，真空管道的高架部分将通过强大的超导线圈的排斥力来支撑。变螺距螺杆发射器基本上采用了与“星轨列车”支持者提出的类似技术：质量驱动器的部分位于地面或漂浮在湖泊或海洋表面（水下，以便船只和海洋生物能够不受阻碍地通过）；有一部分是穿过山体的向上弯曲的隧道，航天器在其中转向天空；还有一段高架真空管道，航天器通过该管道滑行，以避免在大气层最稠密的部分遇到气动阻力。
我认为高架真空管道是该架构中最令人难以接受的部分，因此让我们更仔细地研究一下这个想法。飞机本质上是大型铝管，能够在各种不同的高度可靠飞行。它们通常具有正压，即内部压力高于外部压力，以确保乘客的舒适度。然而，客机的机身设计能够承受一定程度的负压或超压——有些设计能够承受1磅/平方英寸的超压，工程系数为133，这相当于海平面大气压的约十分之一，也就是说，内部压力比外部压力低1磅/平方英寸。飞机的设计使其能够在这种压力下飞行而不会内爆。现在，在高架真空管道的最低点（靠近山顶），外部压力可能约为7磅/平方英寸，因此我们应该能够设计出一种带肋的铝管，其强度足以维持真空，且每米长度的重量不超过商用客机空机身的7倍。从工程角度来看，高架真空管道因此类似于客机的机身，但外壳稍厚，并配有更多的肋条，以帮助其在负压下保持圆形形状——当然，它会比客机机身长得多。在较低的高度，虽然压力较高，但管道位于地面或漂浮在水面上，因此我们不必过多担心加固的重量问题——就像潜艇可以被设计成能够承受足以压垮我们的超压一样。
接下来我们需要解决的问题是如何将高架真空管道悬浮起来。我们谈过将质量驱动器的高架真空管道悬挂在系留环上的可能性。然而，针对这个问题，还有一个我们之前未曾讨论过的解决方案：用无人机为管道提供航空支撑。从无人机灯光秀中我们可以看到，大型无人机群可以被编程为以极高的精度编队飞行。专为农作物喷洒或包裹递送设计的无人机，让我们对用无人机提升物体的每千克成本有了一个很好的了解。因此，这个想法是：当每个火星发射窗口期到来时（当然还要天气允许），你指挥数千架无人机起飞，将真空管道抬升到大气层中。这些无人机可以通过管道上的电线从地面获取电能，因此它们不需要携带太多电池。最棘手的部分可能是位置保持——无人机需要能够在面对阵风的情况下，将管道保持在航天器预计飞行路径的中心位置，因为阵风会试图将管道推离原位。如果你是那种对spacex提出的塔架捕获方案持怀疑态度的人，那么你可能也会对这个方案的这一部分持怀疑态度，但这并不像spacex最近的超重火箭塔架捕获或早期航天飞机发射那样，必须一次成功。此外，无人机产业的蓬勃发展可能会为这一方案提供很大的帮助，因为为经济中的其他用途进行的研究，会让你有多年的时间来调整无人机硬件及其控制算法，并且你可以在尝试让航天器通过真空管道之前，在各种天气条件下测试该系统。因此，关于我们是否能够制造出反应足够迅速的无人机，在应对阵风以及大自然可能抛出的其他任何挑战的同时，将真空管道保持在航天器轨迹的中心位置，这确实是一个尚未解决的问题，但这可能并不比用一对巨大的“筷子”从空中捕获火箭助推器的想法更疯狂。如果这个方案行不通，我们还可以使用巨型塔架甚至太空塔但显然，在我们制造出原型机之前，我们无法确定它是否能正常工作，以及工作效果如何。
与此同时，火箭仍然是太空发射最灵活和最易获取的选择。尽管质量驱动器可能提供长期的成本节约，但火箭的初始投资要低得多——建造一枚火箭的成本大大低于建造一个质量驱动器，这使得火箭对于预算较小或发射频率较低的任务来说更实用。这让规模较小的公司或国家能够进入发射市场——这本身就是一个非常“重量级”的领域（双关语）。这种较低的前期成本也允许更多的实验和定制，因为火箭可以根据特定的有效载荷和任务要求进行调整。在低容量方面（即有效载荷体积较小时），火箭表现出色——它们可以制造为各种尺寸和配置，以处理从小型卫星发射到最昂贵的旗舰星际任务等各种任务。这种适应性使它们适用于各种有效载荷，从精密仪器到载人航天器。此外，spacex等公司开发的先进可重复使用火箭技术正在降低每次发射的成本并提高发射频率，即使有其他技术出现，也能让火箭保持竞争力。
尽管人们常常担心火箭的安全性（由于燃料爆炸的风险），但现代火箭设计正在不断提高其安全性。在过去的几十年里，严格的测试、冗余设计和自动化技术显著提高了发射安全性。此外，火箭技术已被充分理解并受到广泛监管，数十年的运营经验为其安全协议提供了指导。火箭对环境的影响则更为复杂。目前，火箭发射的频率很低，因此我们可以忽略它们对环境的影响——除了发射设施所在的局部栖息地，发射活动可能会对这些栖息地造成干扰。我们也有能力通过利用可再生能源或核能电解水来制造碳中和的氢燃料，用于火箭。总体而言，火箭提供了一种成熟、适应性强且具有成本效益的进入太空的方式，尤其是随着新的创新不断提高其安全性、环境影响和可重复使用性。如前所述，在短期内，我们设想使用小型货运专用质量驱动器与火箭发射器协同工作，运送人员、敏感货物或非典型的大型货物。
总结
质量驱动器非常有前景，为我们提供了一种以现代发射成本的一小部分将大量货物和大量乘客送入太空的方式，但它仍然需要大量的研发工作；而火箭技术在不断进步，目前能够满足我们的太空飞行需求。不过，随着时间的推移，我认为向使用质量驱动器的转变将会发生，我们也将看到它们在月球上的应用——除非我们最终开发出更好的技术。
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要理解成本与出口速度的平方成正比的重要性，最好在双对数图上绘制成本与速度的关系曲线（对于仅收听音频的观众，该图已显示在屏幕上）。由于变螺距螺杆质量驱动器的成本与出口速度的平方成正比，其成本-速度曲线是一条直线：如果速度翻倍，成本将变为原来的四倍。这条直线的具体位置取决于你所做的假设，例如发射器在其使用寿命内发射的有效载荷数量。该曲线假设发射器在其使用寿命内仅发射6152吨有效载荷——考虑到当它不发射前往火星的物资时，还可以向轨道发射大量其他物资，这一假设可能不太现实。火箭的成本在该图上表现为一条指数曲线。这两条曲线在约9500米/秒的速度增量（deltav）处相交，这大约是火箭进入近地轨道所需的速度增量。因此，这些曲线表明，对于前往近地轨道的任务，火箭的成本与质量驱动器的成本相当——不过再次强调，如果我们向近地轨道发射更多与火星任务无关的货物，质量驱动器的成本将会下降。我们只是在展示在更高速度下，质量驱动器相比火箭的成本优势。但如果我们的目标是将大量有效载荷送往月球或火星，那么就需要更大的速度增量。在这种情况下，火箭的成本会急剧上升，因为它遵循指数曲线。如果任务需要12300米/秒的速度增量，那么质量驱动器的成本将是火箭的1/10；如果任务需要15000米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/100；如果任务需要17800米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/1000；如果任务需要20000米/秒的速度增量，质量驱动器的成本将是火箭的1/10000。
如果你正在规划一项火星任务，并且希望该任务有较高的速度增量预算（例如，为了最大限度地减少机组人员暴露在太空辐射中的时间），或者希望该任务有较高的质量预算（例如，为了派遣更多机组人员、携带更多备件，并加强栖息地的防护，如使用奥尔德林循环舱，那么对于纯化学火箭架构来说，这些选择将大幅增加任务成本。然而，如果该架构使用质量驱动器，那么这些选择只会使成本小幅增加。
让我们回到与质量驱动器相关的其他一些挑战，并讨论一些已提出的应对技术。其中一个挑战是大气加热。我曾谈到了使用主动结构（如洛夫斯特伦环）将整个发射器支撑在80公里的高度，以完全避免大部分气动阻力问题。我们之前讨论过的一项名为“星轨列车”的技术，提出了一种解决方案：在低层大气中，将质量驱动器封闭在真空管道内；在高层大气中，为航天器配备热防护系统，以避免大气加热问题。根据这一概念，整个质量驱动器和大部分真空管道都位于地面，部分位于山侧，其余部分则悬浮在空中。“星轨列车”概念提出，真空管道的高架部分将通过强大的超导线圈的排斥力来支撑。变螺距螺杆发射器基本上采用了与“星轨列车”支持者提出的类似技术：质量驱动器的部分位于地面或漂浮在湖泊或海洋表面（水下，以便船只和海洋生物能够不受阻碍地通过）；有一部分是穿过山体的向上弯曲的隧道，航天器在其中转向天空；还有一段高架真空管道，航天器通过该管道滑行，以避免在大气层最稠密的部分遇到气动阻力。
我认为高架真空管道是该架构中最令人难以接受的部分，因此让我们更仔细地研究一下这个想法。飞机本质上是大型铝管，能够在各种不同的高度可靠飞行。它们通常具有正压，即内部压力高于外部压力，以确保乘客的舒适度。然而，客机的机身设计能够承受一定程度的负压或超压——有些设计能够承受1磅/平方英寸的超压，工程系数为133，这相当于海平面大气压的约十分之一，也就是说，内部压力比外部压力低1磅/平方英寸。飞机的设计使其能够在这种压力下飞行而不会内爆。现在，在高架真空管道的最低点（靠近山顶），外部压力可能约为7磅/平方英寸，因此我们应该能够设计出一种带肋的铝管，其强度足以维持真空，且每米长度的重量不超过商用客机空机身的7倍。从工程角度来看，高架真空管道因此类似于客机的机身，但外壳稍厚，并配有更多的肋条，以帮助其在负压下保持圆形形状——当然，它会比客机机身长得多。在较低的高度，虽然压力较高，但管道位于地面或漂浮在水面上，因此我们不必过多担心加固的重量问题——就像潜艇可以被设计成能够承受足以压垮我们的超压一样。
接下来我们需要解决的问题是如何将高架真空管道悬浮起来。我们谈过将质量驱动器的高架真空管道悬挂在系留环上的可能性。然而，针对这个问题，还有一个我们之前未曾讨论过的解决方案：用无人机为管道提供航空支撑。从无人机灯光秀中我们可以看到，大型无人机群可以被编程为以极高的精度编队飞行。专为农作物喷洒或包裹递送设计的无人机，让我们对用无人机提升物体的每千克成本有了一个很好的了解。因此，这个想法是：当每个火星发射窗口期到来时（当然还要天气允许），你指挥数千架无人机起飞，将真空管道抬升到大气层中。这些无人机可以通过管道上的电线从地面获取电能，因此它们不需要携带太多电池。最棘手的部分可能是位置保持——无人机需要能够在面对阵风的情况下，将管道保持在航天器预计飞行路径的中心位置，因为阵风会试图将管道推离原位。如果你是那种对spacex提出的塔架捕获方案持怀疑态度的人，那么你可能也会对这个方案的这一部分持怀疑态度，但这并不像spacex最近的超重火箭塔架捕获或早期航天飞机发射那样，必须一次成功。此外，无人机产业的蓬勃发展可能会为这一方案提供很大的帮助，因为为经济中的其他用途进行的研究，会让你有多年的时间来调整无人机硬件及其控制算法，并且你可以在尝试让航天器通过真空管道之前，在各种天气条件下测试该系统。因此，关于我们是否能够制造出反应足够迅速的无人机，在应对阵风以及大自然可能抛出的其他任何挑战的同时，将真空管道保持在航天器轨迹的中心位置，这确实是一个尚未解决的问题，但这可能并不比用一对巨大的“筷子”从空中捕获火箭助推器的想法更疯狂。如果这个方案行不通，我们还可以使用巨型塔架甚至太空塔但显然，在我们制造出原型机之前，我们无法确定它是否能正常工作，以及工作效果如何。
与此同时，火箭仍然是太空发射最灵活和最易获取的选择。尽管质量驱动器可能提供长期的成本节约，但火箭的初始投资要低得多——建造一枚火箭的成本大大低于建造一个质量驱动器，这使得火箭对于预算较小或发射频率较低的任务来说更实用。这让规模较小的公司或国家能够进入发射市场——这本身就是一个非常“重量级”的领域（双关语）。这种较低的前期成本也允许更多的实验和定制，因为火箭可以根据特定的有效载荷和任务要求进行调整。在低容量方面（即有效载荷体积较小时），火箭表现出色——它们可以制造为各种尺寸和配置，以处理从小型卫星发射到最昂贵的旗舰星际任务等各种任务。这种适应性使它们适用于各种有效载荷，从精密仪器到载人航天器。此外，spacex等公司开发的先进可重复使用火箭技术正在降低每次发射的成本并提高发射频率，即使有其他技术出现，也能让火箭保持竞争力。
尽管人们常常担心火箭的安全性（由于燃料爆炸的风险），但现代火箭设计正在不断提高其安全性。在过去的几十年里，严格的测试、冗余设计和自动化技术显著提高了发射安全性。此外，火箭技术已被充分理解并受到广泛监管，数十年的运营经验为其安全协议提供了指导。火箭对环境的影响则更为复杂。目前，火箭发射的频率很低，因此我们可以忽略它们对环境的影响——除了发射设施所在的局部栖息地，发射活动可能会对这些栖息地造成干扰。我们也有能力通过利用可再生能源或核能电解水来制造碳中和的氢燃料，用于火箭。总体而言，火箭提供了一种成熟、适应性强且具有成本效益的进入太空的方式，尤其是随着新的创新不断提高其安全性、环境影响和可重复使用性。如前所述，在短期内，我们设想使用小型货运专用质量驱动器与火箭发射器协同工作，运送人员、敏感货物或非典型的大型货物。
总结
质量驱动器非常有前景，为我们提供了一种以现代发射成本的一小部分将大量货物和大量乘客送入太空的方式，但它仍然需要大量的研发工作；而火箭技术在不断进步，目前能够满足我们的太空飞行需求。不过，随着时间的推移，我认为向使用质量驱动器的转变将会发生，我们也将看到它们在月球上的应用——除非我们最终开发出更好的技术。
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