第261章 火箭回收（2 / 3）
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，宽度和高度都是太空梭外燃料箱的 3 倍，重量接近 30 倍，能將超过 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，它確实能降低製造成本。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 ripple aerospace 公司的海蛇设计。ss1 是缩小版，能將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。发射过程会產生巨大的推力和隨之而来的震动，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製造大部分部件，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於火箭或浮动发射台。
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，可以通过电解现场製造燃料 —— 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，电解製造所需的全部燃料，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於，仅凭尺寸就大幅降低了火箭製造成本，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。
我一位业內朋友说，即便考虑使用石墨烯 —— 我们常说用於太空电梯或天鉤的超强材料 —— 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覷。
製造业中有四个因素必然会大幅推高成本：超大型物件、低產量、严苛的生產质量控制、政府繁文縟节。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。
如果我们能批量生產火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生產突破，也能藉助规模效应。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，最终目標不是造一枚便宜、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。
在开始討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於火箭原本的用途。如前所述，在老式太空梭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，尤其是隨著我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式太空梭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，乾重（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態。
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：你可以用排气速度除以重力加速度 9.8 得到比冲，这就是为什么公制下比冲数值看起来总是排气速度除以约 10，英制下除以 32。
幸运的是，两种计量系统都用秒作为时间单位，这也是比冲的计量单位。但这確实会造成一些困惑，因为很多人以为这是火箭燃烧的时长，而实际数值范围也大致如此，进一步加剧了混淆。
我们对这类事物的计量体系很大程度上基於地球及其重力，而我们通常正是用火箭逃离地球，所以这个数值接近並非巧合，但最好不要把比冲当作实际时间测量值，只把它看作一个通常为几百的数字，数值越高代表火箭效率越高，这样就能避免困惑。这也是我解释火箭时几乎总是用排气速度而非比冲的原因。
回到刚才的例子：11 万千克的火箭，10 万千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克有效载荷，以 3300 米 / 秒的排气速度勉强入轨。现在把排气速度加倍到 6600 米 / 秒，会有什么变化？
假设燃料量和燃料箱大小不变，最终载荷不再是 2000 千克，会是多少？不是两倍，绝对不是。把数值代入火箭方程，我们会得到乾重 33200 千克，其中 8000 千克是燃料箱，所以有效载荷是 25200 千克，而不是原来的 2000 千克。
仅仅因为燃料排气速度（或比冲）加倍，载荷就提升了 1260%。如果两种版本的火箭都造价 1 亿美元，第一种的发射成本是每千克 5 万美元，和太空梭一样，第二种约为每千克 4000 美元。 ↑返回顶部↑
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，它確实能降低製造成本。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 ripple aerospace 公司的海蛇设计。ss1 是缩小版，能將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。发射过程会產生巨大的推力和隨之而来的震动，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製造大部分部件，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於火箭或浮动发射台。
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，可以通过电解现场製造燃料 —— 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，电解製造所需的全部燃料，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於，仅凭尺寸就大幅降低了火箭製造成本，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。
我一位业內朋友说，即便考虑使用石墨烯 —— 我们常说用於太空电梯或天鉤的超强材料 —— 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覷。
製造业中有四个因素必然会大幅推高成本：超大型物件、低產量、严苛的生產质量控制、政府繁文縟节。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。
如果我们能批量生產火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生產突破，也能藉助规模效应。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，最终目標不是造一枚便宜、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。
在开始討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於火箭原本的用途。如前所述，在老式太空梭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，尤其是隨著我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式太空梭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，乾重（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態。
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：你可以用排气速度除以重力加速度 9.8 得到比冲，这就是为什么公制下比冲数值看起来总是排气速度除以约 10，英制下除以 32。
幸运的是，两种计量系统都用秒作为时间单位，这也是比冲的计量单位。但这確实会造成一些困惑，因为很多人以为这是火箭燃烧的时长，而实际数值范围也大致如此，进一步加剧了混淆。
我们对这类事物的计量体系很大程度上基於地球及其重力，而我们通常正是用火箭逃离地球，所以这个数值接近並非巧合，但最好不要把比冲当作实际时间测量值，只把它看作一个通常为几百的数字，数值越高代表火箭效率越高，这样就能避免困惑。这也是我解释火箭时几乎总是用排气速度而非比冲的原因。
回到刚才的例子：11 万千克的火箭，10 万千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克有效载荷，以 3300 米 / 秒的排气速度勉强入轨。现在把排气速度加倍到 6600 米 / 秒，会有什么变化？
假设燃料量和燃料箱大小不变，最终载荷不再是 2000 千克，会是多少？不是两倍，绝对不是。把数值代入火箭方程，我们会得到乾重 33200 千克，其中 8000 千克是燃料箱，所以有效载荷是 25200 千克，而不是原来的 2000 千克。
仅仅因为燃料排气速度（或比冲）加倍，载荷就提升了 1260%。如果两种版本的火箭都造价 1 亿美元，第一种的发射成本是每千克 5 万美元，和太空梭一样，第二种约为每千克 4000 美元。 ↑返回顶部↑