第249章 火箭发射（1/2）

李水旺新一期视频：

火箭和质量驱动器都有望將人类送入太空，但哪种方式能让我们走得更远、更快、更智能，

且成本更低？

今天，我们不仅要比较两种发射系统，还要比较两种太空旅行的基本方式 —— 火箭技术和质量驱动器。我们將探討每种方式的优缺点，因为两者都有各自鲜明的优势和劣势。大多数人已经对火箭相当熟悉，但质量驱动器是一个不太常见的术语，所以首先让我们简要介绍一下质量驱动器。质量驱动器的范畴相当广泛，包括化学动力火炮和轨道炮，但就我们今天的討论而言，我们將重点关注被称为直线电机的这一类別。这种电磁推进系统旨在沿著一条长轨道將物体或有效载荷加速到高速。它通过电能產生电磁力来推进有效载荷，將其送入轨道或送上不同的轨跡。因此，利用质量驱动器加速的有效载荷不需要消耗机载推进剂，避免了火箭方程的复杂性。这种有效载荷可能是一个货运舱，我们通常將其想像成一艘太空飞行器，它配备了推力装置和少量机载燃料供应，以帮助其达到轨道速度並在太空中机动，就像太空梭曾配备轨道机动发动机来实现这一目的，以及之后重新进入大气层著陆一样。要用於太空发射，质量驱动器需要具备四个关键特性。

第一个特性：低机械摩擦

理想情况下，其有效载荷应沿著轨道滑行，无需直接物理接触。这使得它能够实现高重复使用率，而无需因磨损而停机进行翻新。

第二个特性：低大气摩擦

理想情况下，质量驱动器应在近真空环境中运行，因为在稠密空气存在的情况下，高速会產生显著的阻力和热量。这使得它们非常適合月球等无空气的天体，但在地球或火星等有大气层的天体上，质量驱动器要么必须位於非常高的海拔处，例如火星最高的山 —— 奥林匹斯山山顶；要么如果无法实现这一点，发射轨道需要封闭在一个真空管道中，直到达到大气层足够稀薄的高度，太空飞行器才能继续向上穿过大气层进入太空。

第三个特性：加速度与轨道长度相关

出口速度等於加速度与轨道长度乘积的两倍的平方根，因此出口速度取决於加速度和轨道长度。由於存在平方根关係，要使速度翻倍，你需要將加速度提高到原来的四倍、將轨道长度延长到原来的四倍，或者同时將加速度和轨道长度都提高到原来的两倍。同样，要使速度变为原来的三倍，可以同时將两者都提高到原来的三倍，或者將加速度或轨道长度提高到原来的 9 倍（即 3 的平方）。因此，如果有效载荷能够承受极高的加速度，质量驱动器可以做得很短；但如果需要温和地加速有效载荷（例如载人质量驱动器的情况），质量驱动器就需要做得很长。质量驱动器需要在让有效载荷承受过大加速度与自身过长且可能成本更高之间找到一个可接受的平衡点。

第四个特性：与牛顿第三运动定律相关

作用力与反作用力大小相等、方向相反。火箭通过喷出燃烧后的推进剂来加速，这些燃烧后的推进剂就是火箭的反作用力质量。而质量驱动器通常固定在行星天体上，因此当它加速飞行器时，反作用力质量是整个行星天体的质量。质量驱动器依靠行星的固体质量来產生推力，就像我们走路或跑步时所做的那样 —— 我们依靠地球的质量来推动自己前进。我们可以（而且很可能会）让质量驱动器以高加速度运行，尤其是用於货运舱时；但长距离、低加速度的质量驱动器使我们能够在需要的情况下实现低加速度，例如对於那些因健康状况限制而无法承受高加速度的太空游客，或者对加速度敏感的货物。火箭的飞行过程也较为顛簸，而质量驱动器的运行通常比火箭更平稳、更稳定。如果质量驱动器以 4 倍重力加速度（4g）运行，那么到达低轨道速度的行程仅需 199 秒，即略超过 3 分钟，轨道长度为 482 英里（775 公里）；以 9 倍重力加速度（9g）运行时，到达低轨道速度的行程將持续 88 秒，轨道长度为 214 英里（345 公里）。这个 9g 的限制大约是大多数人能够承受的最大值，而且即使如此，也只有身体健康的人才能在短时间內承受。然而，加速度更高、轨道更短的质量驱动器可用於將货物或其他物资送入太空。大量货物可以承受 100g 甚至 400g 的加速度，相应的发射持续时间分別约为 8 秒和 2 秒，轨道长度分別为 19 英里（31 公里）和 5 英里（8 公里）。不过，在地球上，你很难找到基於 400g 加速度设计的质量驱动器，因为所需的轨道长度太短，无法有效穿越大气层。但在月球上，由於没有大气层的阻碍，一个 400g 的质量驱动器仅需约 360 米（1181 英尺），即四分之一英里长的轨道，就能以 1680 米 / 秒的速度將有效载荷送入月球轨道，这大约是地球轨道速度的五分之一。同样，在火星上沿著奥林匹斯山一侧建造的轨道也是可行的。质量驱动器在月球相关概念中尤其受欢迎，可用於將月球上的燃料、散装金属或开採的岩石送入太空。其工程挑战更容易应对，还能避免与发射台和月尘相关的问题。质量驱动器也適用於小行星，採矿者可以利用它们將物资送回地球。它们还可以在行星之外使用，將太空飞行器加速到星际速度，甚至为其减速 —— 不过后者是一个相当复杂的话题，我们今天暂不深入探討。稍后，我们还將进一步探討其工程设计和经济性。

现在，让我们把焦点转向火箭。火箭技术的基本原理是动量守恆。动量等於质量乘以速度，因此如果將物体的速度翻倍，其动量也会翻倍。由於动量必须守恆，任何动量的增加都会被其他地方大小相等、方向相反的动量变化所抵消。当你蹬地跳跃时，你实际上会给地球一个相反方向的相同动量；然而，由於地球的质量大约是人类的 1000 亿万亿倍，它获得的速度只是我们的极小一部分。在太空真空中，没有可藉助的施力物体，因此火箭通过从尾部喷出物质来推进自身。这种推进剂可以是任何物质，但在化学火箭中，它通常是燃料燃烧后的废气。推进剂从火箭尾部喷出的速度被称为排气速度。一般来说，废气温度越高，其分子运动速度就越快；在相同温度下，分子质量越轻，运动速度也越快。例如，一些火箭使用氢气和氧气作为燃料，氧原子的质量是氢原子的 16 倍（氢原子的质量约为 1 原子质量单位，1 原子质量单位约等於一个质子或中子的质量）。在相同温度下，单个氢原子的运动速度是氧原子的 4 倍，因为 16 的平方根是 4。虽然由於温度带来的高速度，原子氢本可以成为一种极佳的推进剂，但大多数火箭的废气粒子质量更重。例如，在氢氧火箭中，废气主要是水（18 原子质量单位）；而在使用煤油（rp-1）等碳氢燃料的火箭中，废气包括水和二氧化碳（44 原子质量单位）。在相同温度下，这些质量更重的分子的运动速度明显慢於单个氢原子。它们是燃烧过程的產物，为火箭推进提供能量；而单个原子或小分子则需要通过核灯泡或微波束等方式加热，这些都是我们在其他地方討论过的话题，如果你感兴趣可以进一步了解。如前所述，在相同温度下，分子质量越大，运动速度越慢。因此，当二氧化碳分子以 1000 米 / 秒的速度运动时，水分子的运动速度为 1563 米 / 秒，而单个氢原子的运动速度则高达 6633 米 / 秒。如果我们设想一种驱动装置，它只是一个大型微波装置，將推进剂加热到燃烧室在不熔化的情况下所能达到的最高温度，並且其能量来自瞄准它的微波束，那么我们显然会选择氢作为推进剂。我们也可以通过离子驱动器中的雷射来实现这一点 —— 离子驱动器利用电磁力將离子作为推进剂喷出，其原理类似於一个小型质量驱动器。燃料和氧化剂通常与太阳能或核能等能源一起携带，而离子则作为推进剂。这一点非常有用，因为在这里以及在大多数核驱动装置等非燃烧驱动装置中，你的废气或推进剂可以是高温且高速的氢，而不是质量更重的燃烧產物（通常是水和二氧化碳，与燃气汽车的废气成分相同）。

火箭面临的一个关键挑战是需要同时携带燃料和氧化剂。与汽车和飞机不同，汽车和飞机从大气中获取氧气，而隨著海拔的升高，空气会变得稀薄，使得依靠大气中的氧气变得不切实际。虽然一些吸气式设计（如协同吸气式火箭发动机，saber）可以同时作为喷气发动机和火箭发动机工作，但大多数火箭都需要自行携带氧化剂。与氢相比，氧气的质量较重，在氢氧火箭中，燃烧氢和氧气时，燃料仅占总质量的约 11%，而氧化剂占 89%。氢的低密度和储存挑战往往使其不如煤油（rp-1）受欢迎。煤油是一种碳氢化合物混合物，氢含量约为 15%，燃烧时会產生二氧化碳和水。虽然其效率低於氢氧燃料，但它更易於处理，並且与氧化剂搭配使用时能提供不错的性能，不过其排气速度明显低於纯水，更不用说单个原子了。火箭面临的另一个限制是其所能承受的高温。氢氧火箭在真空中的排气速度约为 4400 米 / 秒，而 rp-1 火箭的排气速度为 3300 米 / 秒，但两者的废气温度都极高，可达 67000 华氏度（4000 开尔文）。这些速度仍然低於进入近地轨道所需的 7800 米 / 秒（17500 英里 / 小时）。將物体的速度翻倍需要四倍的能量，而携带额外的燃料会增加重量，这些重量也需要被加速，从而进一步降低效率。

齐奥尔科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原来的 e2 倍（其中 e 为自然常数，约等於 2.718），这意味著你需要大约 7.39 倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度变为原来的三倍（这需要九倍的动能），你需要 e3 倍的燃料，约为 20.9 倍。要使速度变为原来的四倍，需要 e?倍的燃料，约为 54.6 倍；要使速度变为原来的五倍，需要 e?倍的燃料，约为 148 倍。这就是我们所说的 “火箭方程的暴政”。当在有巨大物体（如行星）可藉助施力时，提高速度所需的能量与速度的平方成正比。例如，將速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍，所需的动能分別为原来的 4 倍、9 倍、16 倍、25 倍和 36 倍。然而，对於火箭来说，所需燃料的增长比例是 e2、e3、e?等，这意味著速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍时，所需燃料分別为原来的 7 倍、20 倍、55 倍、148 倍和 403 倍。要达到 20 倍的排气速度，火箭需要的燃料量约为初始燃料量的 500 万倍，而使用传统火箭燃料，其速度只能达到 70 至 90 公里 / 秒，即使以这样的速度，前往半人马座阿尔法星仍需要 15000 至 19000 年，並且需要消耗不切实际的大量推进剂。化学燃料不適合星际旅行，这就是为什么我们要探索原子火箭等概念 —— 更多相关內容，请查看关於猎户座驱动器或美杜莎驱动器的 episodes。不过今天，我们的重点是离开地球，前往离地球相对较近的目的地，如地球同步轨道、月球和火星。

我需要强调的是，质量驱动器是一项远不如火箭成熟的技术。人类已经花了近一个世纪的时间来完善火箭技术 ——2026 年將是戈达德实验的 100 周年纪念。而质量驱动器在该领域相对较新。杰拉尔德?k?奥尼尔和他的一些合作者，如亨利?科尔姆、比尔?韦顿、比尔?斯诺和凯文?费恩等人，在 20 世纪 70 年代末的一个实验室中开发了一些线圈炮原型。用於从航空母舰上发射飞机的直线电机，即电磁飞机弹射系统，於 2009 年进行了原型测试，並於 2015 年安装在第一艘航空母舰上。因此，火箭具有巨大的先发优势，但隨著我们对太空探索需求的增长，火箭的替代方案也变得越来越有吸引力。spacex 等公司最近的进展刺激了太空经济的发展，而这一切都是通过火箭实现的，但这种不断增长的需求最终可能会推动质量驱动器和其他非火箭发射系统的发展。与质量驱动器相比，火箭的前期成本（资本成本）更低，但运营成本更高，因此在太空探索需求有限的情况下，火箭在经济上更具吸引力。质量驱动器通常被认为是一种资本成本高但运营成本低得多的技术 —— 一旦建成，它们可以频繁发射有效载荷，且每次发射的成本仅为火箭的一小部分，这使得它们非常適合高吞吐量的运营，例如將数百万人或数百万吨货物送入太空。这不仅仅是能源成本的下降 —— 事实上，燃料在现代火箭的成本中占比並不大。火箭有许多复杂的系统，这些系统必须在接近故障点的状態下运行，且冗余度极低，以减轻重量。正是为了实现极高的性能和相对於组件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而质量驱动器是固定的基础设施，更像是桥樑或隧道，因此可以採用更保守的工程设计。

另一个推动变革的因素是，我们越来越需要寻找替代那些严重依赖化石燃料或温室气体排放量高的技术。质量驱动器可以由清洁的可再生能源提供动力，如太阳能、核能或水力发电。太阳能在太空环境中尤其具有优势，例如在月球两极，太阳能资源丰富且可持续。利用质量驱动器技术，实现太空发射的电气化具有明確的发展路径，因为质量驱动器能高效地將电能转化为动能 —— 而这对於长途航空旅行等领域来说目前还无法实现，因为电池的能量密度还远不及航空燃料。在地球上，发射过程中温室气体排放的减少可能会使质量驱动器成为火箭的一个有吸引力的替代方案，因为我们正在寻求更环保的发射方式。