第261章 火箭回收（1/2）
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。我们还会討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，確实有成为顛覆性技术的真正潜力。所以我决定在今天的討论中加入它。
一次常规的火箭发射要花费数亿美元。事实上，我们估算，太空梭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。太空梭通常能运送不到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，將载荷送入太空的主要成本是燃料，但事实並非完全如此。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。
火箭的问题確实和燃料有关，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。这正是太空梭项目背后的理念，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，並把它和汽车做个对比。
假设汽油在你的车辆使用周期內平均每加仑2.5美元，你花2.5万美元买了这辆车，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2.5万美元用於保养，贷款的保险和利息又花了2.5万美元。
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2.5万美元。顺便说一句，这些燃料的质量是2.8万千克，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。
基於这些数字，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，但它只在几分钟內就烧完，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。
我们来看看太空梭的外燃料箱——它是太空梭唯一不可重复使用的部分。它有著泡沫隔热层那种標誌性的锈橙色，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，而且它並不是特別厚重的油漆，只是这个燃料箱实在太大了。把它侧著放在美式橄欖球场上，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。
我们討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，燃烧產物是水蒸气——同时以让喷气式飞机看起来像乌龟的速度衝破大气层。
想像一下，你打开引擎盖，放掉冷却液和机油，然后掛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，请务必只是想像，不要真的这么做，因为至少几分钟內你就会毁掉引擎。
我们使用的火箭部件正承受著这类应力，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，因为按现在的幣值计算，太空梭的外燃料箱造价约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拋掉，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。
太空梭上另外两枚火箭——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，虽然没人能给出精確数字，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。
很难確切说清，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確的做法，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，很多改进也確实由此而来。
但理想的情况是，火箭能轻鬆回收，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。太空梭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。
儘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，而且和太空梭的固体助推器一样，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號，尤其是它的四推力变体。想必你知道，它由spacex公司製造，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，因此並非完全可重复使用。我们还要注意，每次发射標价6000万美元，其中几乎没有成本来自燃料，它將1千克载荷送入近地轨道的成本略高於1000美元，远比太空梭估计的每千克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，相比太空梭，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，这通常意味著很重。
我们使用多级火箭的原因之一，就是可以拋掉空燃料箱，不用燃烧更多燃料带著它们飞行。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拋掉，能省一点燃料，但前半段带著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rippleaerospace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。
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