正文 第261章 火箭回收
来说它很昂贵。你必须携带所有燃料和氧化剂，容纳它们的结构必须非常坚固，这通常意味着很重。
我们使用多级火箭的原因之一，就是可以抛掉空燃料箱，不用燃烧更多燃料带着它们飞行。人们会好奇，为什么我们不用很多小燃料箱，用完一个再用下一个，但这会带来两方面成本：金钱成本和质量成本，两者都直接撞上了平方立方定律。
几何学告诉我们，如果把一个物体的宽度加倍，表面积通常会增加2的平方，也就是4倍，而体积会增加2的立方，也就是8倍。如果我的燃料箱需要1厘米厚才能承受应力，那么把尺寸加倍后，燃料容量变成8倍，而燃料箱重量只增加4倍。
举个例子，如果我能用一个大燃料箱，空重4万千克，能装88万加仑燃料；把它缩小后，小燃料箱重1万千克，装10万加仑燃料。这就是平方立方定律。但要给火箭装88万加仑燃料，我就需要8个小燃料箱，总重8万千克，而大燃料箱装同样多燃料，只重4万千克。
后面几个燃料箱空了之后抛掉，能省一点燃料，但前半段带着额外燃料箱重量会损失更多。
你可能会好奇，既然燃料便宜，很多问题都来自燃料箱重量，为什么我们不造更大的火箭？这个方案有人考虑过，其中一个成果就是名为海神龙的火箭设计——一枚长达150米、宽23米的巨型火箭，宽度和高度都是航天飞机外燃料箱的3倍，重量接近30倍，能将超过500吨载荷送入轨道。
这个设计有很多可说的地方，它常被称作“大型简易助推器”，因为在燃料箱方面，它确实能降低制造成本。这个设计打算只用普通钢材，接近仅以燃料为主要成本时能实现的每千克数百美元入轨成本。
海神龙是个非常庞大的设计，可惜从未建成。但顾名思义，它从海上发射，可由拖船牵引竖起准备发射。海上发射还有不少优势：一是可以拖到赤道附近——赤道大部分区域是海洋而非陆地——充分利用地球自转进入轨道。
海神龙的精神继承者是rippleaerospace公司的海蛇设计。ss1是缩小版，能将数吨载荷送入近地轨道；ss2是重型可重复使用运载火箭，运力约为ss1的10倍，有望证明海上发射的可行性，最终让海神龙设计以现代化版本重生。
海上发射还有个好处：你想发射多大的火箭都可以。发射过程会产生巨大的推力和随之而来的震动，我们通常会在火箭下方喷射大量水来减震，避免设备受损。不用说，海上发射就不存在这个问题。
而且虽然不是技术优势，在国际水域发射也不需要办理极其繁琐昂贵的文书和许可。理想情况下，你还能利用现有造船厂制造大部分部件，它们已经非常擅长建造更大、精度和质量控制要求相似的设备——潜艇和石油钻井平台的建造难度不亚于火箭或浮动发射台。
海洋除了支持赤道发射之外，还有个优点：如果你打算用液氢和液氧作燃料，你脚下就有大量这两种物质，可以通过电解现场制造燃料——先不考虑实际操作问题。
我个人很喜欢这样的设想：一个巨大的浮动火箭基地，布满太阳能板，电解制造所需的全部燃料，还能移动位置躲避恶劣天气——天气会导致很多发射取消，大幅增加总发射成本。
如前所述，海神龙的很大一部分优势在于，仅凭尺寸就大幅降低了火箭制造成本，因为平方立方定律降低了每千克入轨载荷的有效火箭成本。燃料箱更大、壁厚相同、隔热层相同，每加仑燃料对应的燃料箱重量更小。在这方面，越大越好，不过当载荷达到1000吨左右时，就会接近理论上限。
我一位业内朋友说，即便考虑使用石墨烯——我们常说用于太空电梯或天钩的超强材料——也只能把载荷推到约2000吨（注意是载荷，不是火箭）。
做大能让我们在火箭燃料箱上花费更少质量，这是让火箭更便宜的另一个办法：让燃料箱更便宜。这个想法很有吸引力，因为原材料成本相当低，不过和原始燃料成本比起来也不容小觑。
制造业中有四个因素必然会大幅推高成本：超大型物件、低产量、严苛的生产质量控制、政府繁文缛节。火箭这四点全占了。
设施成本也很高，还有运到发射场的运输成本、发射场的存储与加注成本，以及发射场的人员和维护成本。仅租用发射台进行一次发射就要花费约100万美元。所以如果发射次数更多，所有这些成本都会摊薄。
如果我们能批量生产火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生产突破，也能借助规模效应。而且我们还能进行更多测试，看看哪些地方可以做得更薄、更便宜之类的。
当然，最终目标不是造一枚便宜、一次性使用的火箭，也不是造一枚需要大量维修才能重复使用几次的火箭，而是一枚能使用数百次、几乎不需要维修和停机时间的火箭——快速检查后就能重新加油。
在这种情况下，即便火箭造价10亿美元，每次飞行也只需花费几百万美元。
在开始讨论燃料和金属氢之前，我想花点时间说明：可重复使用不一定是重复用于火箭原本的用途。如前所述，在老式航天飞机和很多新型可重复使用火箭设计上，只有第一级被重复使用，第二级通常被遗弃坠落解体，因为它需要完成再入。
这些二级火箭不一定非要坠回地球，我们这么做主要是为了避免近地轨道被更多碎片污染——这是个严重问题。
多年来，不少人提出过这些二级火箭的替代用途，而不是把它们扔在太空或海洋里，比如把它们焊接起来建成空间站。nasa研究过很多相关方案，但从未找到一个他们认为值得额外成本和风险的方案。
不过这仍然是一个有吸引力的回收选择，尤其是随着我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式航天飞机外燃料箱的容积就超过整个国际空间站。
我们还有另一个降低成本的途径：燃料。我知道这很让人困惑，我一直说燃料比火箭其他部分便宜，却又说它是我们的主要成本，但这始终要回到火箭方程，以及你必须携带燃料这个事实。
如果我能把燃料的排气速度或比冲加倍，也就是用一半重量的燃料获得同样的推力，情况就会大不相同。
我们举个简单例子说明：我有一枚火箭，发射台处燃料质量11万千克，干重（燃料耗尽时的质量）1万千克，我们假设其中8000千克是燃料箱（单燃料箱）。为简化起见，我们假设是单级火箭——单级火箭通常也被视为可重复使用火箭的理想最终形态。
也就是10万千克燃料、8000千克燃料箱、2000千克舱体和载荷。我们假设这枚火箭的排气速度是3300米/秒，比冲337秒，忽略空气和其他变量，刚好能把我们送入轨道。
现在把排气速度加倍到6600米/秒，比冲674秒。顺便说一句，简单解释一下比冲：你可以用排
我们使用多级火箭的原因之一，就是可以抛掉空燃料箱，不用燃烧更多燃料带着它们飞行。人们会好奇，为什么我们不用很多小燃料箱，用完一个再用下一个，但这会带来两方面成本：金钱成本和质量成本，两者都直接撞上了平方立方定律。
几何学告诉我们，如果把一个物体的宽度加倍，表面积通常会增加2的平方，也就是4倍，而体积会增加2的立方，也就是8倍。如果我的燃料箱需要1厘米厚才能承受应力，那么把尺寸加倍后，燃料容量变成8倍，而燃料箱重量只增加4倍。
举个例子，如果我能用一个大燃料箱，空重4万千克，能装88万加仑燃料；把它缩小后，小燃料箱重1万千克，装10万加仑燃料。这就是平方立方定律。但要给火箭装88万加仑燃料，我就需要8个小燃料箱，总重8万千克，而大燃料箱装同样多燃料，只重4万千克。
后面几个燃料箱空了之后抛掉，能省一点燃料，但前半段带着额外燃料箱重量会损失更多。
你可能会好奇，既然燃料便宜，很多问题都来自燃料箱重量，为什么我们不造更大的火箭？这个方案有人考虑过，其中一个成果就是名为海神龙的火箭设计——一枚长达150米、宽23米的巨型火箭，宽度和高度都是航天飞机外燃料箱的3倍，重量接近30倍，能将超过500吨载荷送入轨道。
这个设计有很多可说的地方，它常被称作“大型简易助推器”，因为在燃料箱方面，它确实能降低制造成本。这个设计打算只用普通钢材，接近仅以燃料为主要成本时能实现的每千克数百美元入轨成本。
海神龙是个非常庞大的设计，可惜从未建成。但顾名思义，它从海上发射，可由拖船牵引竖起准备发射。海上发射还有不少优势：一是可以拖到赤道附近——赤道大部分区域是海洋而非陆地——充分利用地球自转进入轨道。
海神龙的精神继承者是rippleaerospace公司的海蛇设计。ss1是缩小版，能将数吨载荷送入近地轨道；ss2是重型可重复使用运载火箭，运力约为ss1的10倍，有望证明海上发射的可行性，最终让海神龙设计以现代化版本重生。
海上发射还有个好处：你想发射多大的火箭都可以。发射过程会产生巨大的推力和随之而来的震动，我们通常会在火箭下方喷射大量水来减震，避免设备受损。不用说，海上发射就不存在这个问题。
而且虽然不是技术优势，在国际水域发射也不需要办理极其繁琐昂贵的文书和许可。理想情况下，你还能利用现有造船厂制造大部分部件，它们已经非常擅长建造更大、精度和质量控制要求相似的设备——潜艇和石油钻井平台的建造难度不亚于火箭或浮动发射台。
海洋除了支持赤道发射之外，还有个优点：如果你打算用液氢和液氧作燃料，你脚下就有大量这两种物质，可以通过电解现场制造燃料——先不考虑实际操作问题。
我个人很喜欢这样的设想：一个巨大的浮动火箭基地，布满太阳能板，电解制造所需的全部燃料，还能移动位置躲避恶劣天气——天气会导致很多发射取消，大幅增加总发射成本。
如前所述，海神龙的很大一部分优势在于，仅凭尺寸就大幅降低了火箭制造成本，因为平方立方定律降低了每千克入轨载荷的有效火箭成本。燃料箱更大、壁厚相同、隔热层相同，每加仑燃料对应的燃料箱重量更小。在这方面，越大越好，不过当载荷达到1000吨左右时，就会接近理论上限。
我一位业内朋友说，即便考虑使用石墨烯——我们常说用于太空电梯或天钩的超强材料——也只能把载荷推到约2000吨（注意是载荷，不是火箭）。
做大能让我们在火箭燃料箱上花费更少质量，这是让火箭更便宜的另一个办法：让燃料箱更便宜。这个想法很有吸引力，因为原材料成本相当低，不过和原始燃料成本比起来也不容小觑。
制造业中有四个因素必然会大幅推高成本：超大型物件、低产量、严苛的生产质量控制、政府繁文缛节。火箭这四点全占了。
设施成本也很高，还有运到发射场的运输成本、发射场的存储与加注成本，以及发射场的人员和维护成本。仅租用发射台进行一次发射就要花费约100万美元。所以如果发射次数更多，所有这些成本都会摊薄。
如果我们能批量生产火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生产突破，也能借助规模效应。而且我们还能进行更多测试，看看哪些地方可以做得更薄、更便宜之类的。
当然，最终目标不是造一枚便宜、一次性使用的火箭，也不是造一枚需要大量维修才能重复使用几次的火箭，而是一枚能使用数百次、几乎不需要维修和停机时间的火箭——快速检查后就能重新加油。
在这种情况下，即便火箭造价10亿美元，每次飞行也只需花费几百万美元。
在开始讨论燃料和金属氢之前，我想花点时间说明：可重复使用不一定是重复用于火箭原本的用途。如前所述，在老式航天飞机和很多新型可重复使用火箭设计上，只有第一级被重复使用，第二级通常被遗弃坠落解体，因为它需要完成再入。
这些二级火箭不一定非要坠回地球，我们这么做主要是为了避免近地轨道被更多碎片污染——这是个严重问题。
多年来，不少人提出过这些二级火箭的替代用途，而不是把它们扔在太空或海洋里，比如把它们焊接起来建成空间站。nasa研究过很多相关方案，但从未找到一个他们认为值得额外成本和风险的方案。
不过这仍然是一个有吸引力的回收选择，尤其是随着我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式航天飞机外燃料箱的容积就超过整个国际空间站。
我们还有另一个降低成本的途径：燃料。我知道这很让人困惑，我一直说燃料比火箭其他部分便宜，却又说它是我们的主要成本，但这始终要回到火箭方程，以及你必须携带燃料这个事实。
如果我能把燃料的排气速度或比冲加倍，也就是用一半重量的燃料获得同样的推力，情况就会大不相同。
我们举个简单例子说明：我有一枚火箭，发射台处燃料质量11万千克，干重（燃料耗尽时的质量）1万千克，我们假设其中8000千克是燃料箱（单燃料箱）。为简化起见，我们假设是单级火箭——单级火箭通常也被视为可重复使用火箭的理想最终形态。
也就是10万千克燃料、8000千克燃料箱、2000千克舱体和载荷。我们假设这枚火箭的排气速度是3300米/秒，比冲337秒，忽略空气和其他变量，刚好能把我们送入轨道。
现在把排气速度加倍到6600米/秒，比冲674秒。顺便说一句，简单解释一下比冲：你可以用排
本章未完，点击下一页继续阅读
(2/3)