正文 第261章 火箭回收
李水旺新一期视频：
所以今天的主题是可重复使用火箭——一项正在大幅降低发射成本的新兴技术。我们还会讨论我们使用的一些燃料，包括金属氢——一种可能性能大幅提升的新型燃料。金属氢最近备受关注，也像往常一样被大肆炒作，但它对火箭和太空飞行而言，确实有成为颠覆性技术的真正潜力。所以我决定在今天的讨论中加入它。
一次常规的火箭发射要花费数亿美元。事实上，我们估算，航天飞机项目如果把全生命周期成本都算上，再除以总发射次数，平均每次发射约15亿美元。航天飞机通常能运送不到3万千克的货物和人员载荷。如果用这个数值去除15亿美元，我们会得到每千克约5万美元的发射成本。
我们常说，将载荷送入太空的主要成本是燃料，但事实并非完全如此。燃料的原始成本虽然很高，但通常不到发射成本的1，真正昂贵的是火箭本身。发射一枚火箭可能要消耗10万加仑液氢，但这只需要几十万美元，而不是几亿美元。假设一次发射的燃料成本为300万美元，那么每千克成本也只有约100美元，和我们在这个系列中了解过的一些更优系统差不多。
火箭的问题确实和燃料有关，但不是燃料本身的稀有成本，而是与携带燃料、燃烧燃料、提升速度相关的所有成本。一枚常规火箭助推器可能要花费1亿美元，而实际燃料可能只值100万美元。不用说，如果我们能重复使用那枚火箭，加满新燃料，成本会大幅下降。
这么一个简单又显而易见的省钱办法，人们本该立刻就付诸实施。这正是航天飞机项目背后的理念，它的大部分部件都是可重复使用的。我们稍后会以它为例，但在此之前，我想强调火箭所承受的力和压力有多么惊人，并把它和汽车做个对比。
假设汽油在你的车辆使用周期内平均每加仑25美元，你花25万美元买了这辆车，油耗是每加仑30英里，也就是每升约50公里。我们还假设你把车开到30万英里（约50万公里）才报废，另外花了25万美元用于保养，贷款的保险和利息又花了25万美元。
大多数人往往认为车辆的主要使用成本是燃料，但按照这个里程和油价，车报废前你会用掉1万加仑燃料，总共花25万美元。顺便说一句，这些燃料的质量是28万千克，大约是车重的20倍，这个比例和大多数火箭的燃料与所发射载荷的质量比相当接近。
基于这些数字，你总共花10万美元开了30万英里，平均每英里33美分，每公里20美分，其中只有四分之一是燃料成本。汽车算是我们拥有的可重复使用性最高的机械之一，即便如此，燃料成本也只占总成本的四分之一。
火箭也是一种消耗数千加仑燃料的设备，但它只在几分钟内就烧完，而且必须做得超轻以减少燃料消耗，同时还要能承受如此快速燃烧燃料带来的应力，还要以惊人的速度飞行。
我们来看看航天飞机的外燃料箱——它是航天飞机唯一不可重复使用的部分。它有着泡沫隔热层那种标志性的锈橙色，非常好认。我们过去把它漆成白色以反射光线，但很快就决定没必要这么做，去掉油漆能省下不少重量。那层油漆重近300千克，而且它并不是特别厚重的油漆，只是这个燃料箱实在太大了。把它侧着放在美式橄榄球场上，能占掉大约一半的场地。
要知道，这个燃料箱空重约是油漆重量的100倍，加满燃料后约是油漆重量的2000倍。这能让你明白，火箭上每一克重量都多么宝贵。
我们讨论让火箭可重复使用时，显而易见的思路是给火箭增加坚固结构，但这会引发一个恶性的燃料质量比循环，我们稍后会讲到。
这个燃料箱里装的是液氢和液氧的混合物，需要保存在极低温度下，极地冰层都会为之颤抖，我们会把它们点燃——有趣的是，燃烧产物是水蒸气——同时以让喷气式飞机看起来像乌龟的速度冲破大气层。
想象一下，你打开引擎盖，放掉冷却液和机油，然后挂空挡让引擎空转直到没油。想想这会给引擎带来多大的应力，请务必只是想象，不要真的这么做，因为至少几分钟内你就会毁掉引擎。
我们使用的火箭部件正承受着这类应力，这就是为什么我们不能直接把火箭捡起来重新加油——这很可惜，因为按现在的币值计算，航天飞机的外燃料箱造价约1亿美元，而加满燃料还不到100万美元。
这个外燃料箱不可重复使用还有另一个原因：燃料耗尽时我们就会把它抛掉，此时火箭已经进入太空，速度极快，所以它会重新坠入大气层，在再入过程中碎裂，通常会坠入印度洋。
航天飞机上另外两枚火箭——固体火箭助推器（srb），通常在飞行约2分钟、高度约45千米时分离，坠落在大西洋中，我们会回收它们，维修翻新后再次使用。这听起来很棒，但算上为回收而建造、打捞、维修的所有成本，虽然没人能给出精确数字，但普遍共识是，这么做的成本几乎和买新的一样高。我见过很多人认为，这不仅没省多少钱，反而花得更多。
很难确切说清，因为政府的会计工作虽然总是非常精准细致，却往往比真正的火箭科学还要复杂。我有时怀疑，nasa的会计部门人员和电脑比任务控制中心还要多。
不过我认为，回收这些助推器是正确的做法，即便节省的成本微乎其微，因为这让我们有机会研究基本完好的部件，看看发射过程中系统承受的应力和出现的故障情况，很多改进也确实由此而来。
但理想的情况是，火箭能轻松回收，经过快速检查、更换几个零件后就能几乎立刻重新加油，就像我们对飞机做的那样，让维修翻新成本不超过燃料成本。航天飞机的固体火箭助推器显然不是这样，我们现在看到的可重复使用火箭也不是。
尽管我们能看到它们降回发射台，但大多数这类设计仍然是多级火箭，只有第一级助推器能被回收。即便做到这一点也非常困难，而且和航天飞机的固体助推器一样，这一级通常是在还未承受完全再入应力的高度和速度下分离的。
我们来看具体例子，说说备受关注的猎鹰9号，尤其是它的四推力变体。想必你知道，它由spacex公司制造，该公司由埃隆??马斯克创立，他几乎肯定不需要介绍。所以我们把重点放在火箭本身。
需要说明的是，它是一枚两级火箭，只有第一级能被回收，因此并非完全可重复使用。我们还要注意，每次发射标价6000万美元，其中几乎没有成本来自燃料，它将1千克载荷送入近地轨道的成本略高于1000美元，远比航天飞机估计的每千克5万美元划算，便宜了近50倍。
但这和真正可重复使用系统应有的节省幅度相去甚远——在真正可重复使用的系统里，燃料应该是主要成本，至少占很大一部分。事实上，相比航天飞机，这些成本节省大多来自可重复使用之外的其他改进，比如一开始就造得更便宜、更好。
那么，什么能让火箭更便宜？火箭本身昂贵的原因其实还是燃料，因为从重量上
所以今天的主题是可重复使用火箭——一项正在大幅降低发射成本的新兴技术。我们还会讨论我们使用的一些燃料，包括金属氢——一种可能性能大幅提升的新型燃料。金属氢最近备受关注，也像往常一样被大肆炒作，但它对火箭和太空飞行而言，确实有成为颠覆性技术的真正潜力。所以我决定在今天的讨论中加入它。
一次常规的火箭发射要花费数亿美元。事实上，我们估算，航天飞机项目如果把全生命周期成本都算上，再除以总发射次数，平均每次发射约15亿美元。航天飞机通常能运送不到3万千克的货物和人员载荷。如果用这个数值去除15亿美元，我们会得到每千克约5万美元的发射成本。
我们常说，将载荷送入太空的主要成本是燃料，但事实并非完全如此。燃料的原始成本虽然很高，但通常不到发射成本的1，真正昂贵的是火箭本身。发射一枚火箭可能要消耗10万加仑液氢，但这只需要几十万美元，而不是几亿美元。假设一次发射的燃料成本为300万美元，那么每千克成本也只有约100美元，和我们在这个系列中了解过的一些更优系统差不多。
火箭的问题确实和燃料有关，但不是燃料本身的稀有成本，而是与携带燃料、燃烧燃料、提升速度相关的所有成本。一枚常规火箭助推器可能要花费1亿美元，而实际燃料可能只值100万美元。不用说，如果我们能重复使用那枚火箭，加满新燃料，成本会大幅下降。
这么一个简单又显而易见的省钱办法，人们本该立刻就付诸实施。这正是航天飞机项目背后的理念，它的大部分部件都是可重复使用的。我们稍后会以它为例，但在此之前，我想强调火箭所承受的力和压力有多么惊人，并把它和汽车做个对比。
假设汽油在你的车辆使用周期内平均每加仑25美元，你花25万美元买了这辆车，油耗是每加仑30英里，也就是每升约50公里。我们还假设你把车开到30万英里（约50万公里）才报废，另外花了25万美元用于保养，贷款的保险和利息又花了25万美元。
大多数人往往认为车辆的主要使用成本是燃料，但按照这个里程和油价，车报废前你会用掉1万加仑燃料，总共花25万美元。顺便说一句，这些燃料的质量是28万千克，大约是车重的20倍，这个比例和大多数火箭的燃料与所发射载荷的质量比相当接近。
基于这些数字，你总共花10万美元开了30万英里，平均每英里33美分，每公里20美分，其中只有四分之一是燃料成本。汽车算是我们拥有的可重复使用性最高的机械之一，即便如此，燃料成本也只占总成本的四分之一。
火箭也是一种消耗数千加仑燃料的设备，但它只在几分钟内就烧完，而且必须做得超轻以减少燃料消耗，同时还要能承受如此快速燃烧燃料带来的应力，还要以惊人的速度飞行。
我们来看看航天飞机的外燃料箱——它是航天飞机唯一不可重复使用的部分。它有着泡沫隔热层那种标志性的锈橙色，非常好认。我们过去把它漆成白色以反射光线，但很快就决定没必要这么做，去掉油漆能省下不少重量。那层油漆重近300千克，而且它并不是特别厚重的油漆，只是这个燃料箱实在太大了。把它侧着放在美式橄榄球场上，能占掉大约一半的场地。
要知道，这个燃料箱空重约是油漆重量的100倍，加满燃料后约是油漆重量的2000倍。这能让你明白，火箭上每一克重量都多么宝贵。
我们讨论让火箭可重复使用时，显而易见的思路是给火箭增加坚固结构，但这会引发一个恶性的燃料质量比循环，我们稍后会讲到。
这个燃料箱里装的是液氢和液氧的混合物，需要保存在极低温度下，极地冰层都会为之颤抖，我们会把它们点燃——有趣的是，燃烧产物是水蒸气——同时以让喷气式飞机看起来像乌龟的速度冲破大气层。
想象一下，你打开引擎盖，放掉冷却液和机油，然后挂空挡让引擎空转直到没油。想想这会给引擎带来多大的应力，请务必只是想象，不要真的这么做，因为至少几分钟内你就会毁掉引擎。
我们使用的火箭部件正承受着这类应力，这就是为什么我们不能直接把火箭捡起来重新加油——这很可惜，因为按现在的币值计算，航天飞机的外燃料箱造价约1亿美元，而加满燃料还不到100万美元。
这个外燃料箱不可重复使用还有另一个原因：燃料耗尽时我们就会把它抛掉，此时火箭已经进入太空，速度极快，所以它会重新坠入大气层，在再入过程中碎裂，通常会坠入印度洋。
航天飞机上另外两枚火箭——固体火箭助推器（srb），通常在飞行约2分钟、高度约45千米时分离，坠落在大西洋中，我们会回收它们，维修翻新后再次使用。这听起来很棒，但算上为回收而建造、打捞、维修的所有成本，虽然没人能给出精确数字，但普遍共识是，这么做的成本几乎和买新的一样高。我见过很多人认为，这不仅没省多少钱，反而花得更多。
很难确切说清，因为政府的会计工作虽然总是非常精准细致，却往往比真正的火箭科学还要复杂。我有时怀疑，nasa的会计部门人员和电脑比任务控制中心还要多。
不过我认为，回收这些助推器是正确的做法，即便节省的成本微乎其微，因为这让我们有机会研究基本完好的部件，看看发射过程中系统承受的应力和出现的故障情况，很多改进也确实由此而来。
但理想的情况是，火箭能轻松回收，经过快速检查、更换几个零件后就能几乎立刻重新加油，就像我们对飞机做的那样，让维修翻新成本不超过燃料成本。航天飞机的固体火箭助推器显然不是这样，我们现在看到的可重复使用火箭也不是。
尽管我们能看到它们降回发射台，但大多数这类设计仍然是多级火箭，只有第一级助推器能被回收。即便做到这一点也非常困难，而且和航天飞机的固体助推器一样，这一级通常是在还未承受完全再入应力的高度和速度下分离的。
我们来看具体例子，说说备受关注的猎鹰9号，尤其是它的四推力变体。想必你知道，它由spacex公司制造，该公司由埃隆??马斯克创立，他几乎肯定不需要介绍。所以我们把重点放在火箭本身。
需要说明的是，它是一枚两级火箭，只有第一级能被回收，因此并非完全可重复使用。我们还要注意，每次发射标价6000万美元，其中几乎没有成本来自燃料，它将1千克载荷送入近地轨道的成本略高于1000美元，远比航天飞机估计的每千克5万美元划算，便宜了近50倍。
但这和真正可重复使用系统应有的节省幅度相去甚远——在真正可重复使用的系统里，燃料应该是主要成本，至少占很大一部分。事实上，相比航天飞机，这些成本节省大多来自可重复使用之外的其他改进，比如一开始就造得更便宜、更好。
那么，什么能让火箭更便宜？火箭本身昂贵的原因其实还是燃料，因为从重量上
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