第249章 火箭发射（2/2）

安全性是质量驱动器的另一个显著优势。火箭携带大量挥发性推进剂，在发射过程中可能会带来重大风险。它们过於危险且噪音巨大，无法靠近人类居住区。这就导致了一系列旨在確保公眾安全利益得到持续优先考虑的法规，但发射提供商可能会认为这些法规繁琐不堪。此外，人们还必须从发射台周围和下风向区域疏散。而使用质量驱动器发射的太空飞行器不太可能偏离轨道，因为太空飞行器是沿著轨道飞行的，而且它们携带的燃料很少，这显著降低了在人口密集地区发生爆炸事故的风险。

当人们猜测为什么我们还没有使用质量驱动器来发射太空飞行器时，他们有时会提出一些担忧，例如建造长距离真空管道的难度，或者太空飞行器从发射管道到太空边缘的飞行路径问题，但针对这些问题，已经提出了合理的解决方案 —— 至少在理论上，这些解决方案並不违反任何物理定律或工程原理。即使质量驱动器发生灾难性故障，导致部件从空中坠落，也可以通过安装降落伞或將其建在远离人口密集地区的地方来解决，將其建在海洋中也是一个选择，这样可以避免诸如土地徵用等其他问题。

真正尚未解决的问题是，我们最有经验的那种直线电机，当试图將其升级到太空飞行所需的速度时，成本会变得非常高昂。这个问题与能量快速转换的成本有关 —— 通常在质量驱动器中，储存的电能会迅速转化为动能。假设我们希望將一个有效载荷以恆定加速度从 0 加速到 8000 米 / 秒：將 1 千克的物体从 0 加速到 1 米 / 秒仅需要 0.5 焦耳的能量；而將同样 1 千克的物体从 7999 米 / 秒加速到 8000 米 / 秒，则大约需要 8000 焦耳的能量。因此，峰值功率將出现在质量驱动器的末端，且该峰值功率与出口速度的平方成正比。如果质量驱动器需要长达数公里的长度才能使加速度处於可承受的水平，那么能量转换硬体就需要沿著质量驱动器的长度分布安装。

让我们设想一下，质量驱动器由许多电磁铁组成，每个电磁铁都配备了一些功率电子设备来控制其开关。假设这个质量驱动器设计用於將太空飞行器以 10 倍重力加速度（约 100 米 / 秒 2）的恆定加速度从 0 加速到 8000 米 / 秒。將目標速度除以加速度，得到加速到 8000 米 / 秒所需的时间为 80 秒。但在第一秒內，太空飞行器仅飞行 50 米；而在最后一秒內，它將飞行 7950 米。因此，太空飞行器在最后一秒內经过的电磁铁数量比第一秒內多得多 —— 不仅是更多的电磁铁，还有更多控制这些电磁铁开关的功率电子设备。当你计算（或积分）分布在质量驱动器长度上的所有更高功率储能和功率调节硬体组件的成本时，硬体的总成本大致与质量驱动器出口速度的立方成正比。这仍然比火箭要好，但成本仍然高得令人望而却步。

然而，有一些更新的质量驱动器架构，它们对分布在整个质量驱动器长度上的昂贵功率调节硬体的依赖程度较低。其中一种架构是变螺距螺杆发射器——它通过电动机在较长时间內使螺杆旋转加速，这降低了电能到动能转换相关的功率需求，然后螺杆的动能以不需要能量转换和昂贵功率电子设备的方式快速直接传递给太空飞行器。要理解其工作原理，可能首先需要了解磁性齿轮的工作原理。磁性齿轮的功能与普通齿轮相同，但它不依赖齿轮齿之间的机械接触，而是利用设计成相互嚙合的磁场。磁性齿轮就像机械齿轮一样，只是它在齿轮之间没有物理接触的情况下工作。蜗杆齿轮是另一种齿轮，其中一个齿轮是螺旋形的，另一个是普通齿轮。带移动螺母的丝槓的工作原理有点像蜗杆齿轮，只是它的螺旋齿轮將旋转运动转化为直线运动。这些被称为磁性丝槓驱动直线执行器的设备已经在一些研究实验室中製造出来。变螺距螺杆发射器是一种磁性丝槓驱动直线执行器，不同之处在於，由於螺杆具有变螺距，当螺杆以恆定速度旋转时，移动螺母会加速。

通过这种架构，电能会在太空飞行器到达之前的很长一段时间內逐渐转化为旋转螺杆（以及螺杆內部的飞轮）的动能。由於这种能量转换是在数分钟而不是微秒內完成的，功率较低，因此功率调节硬体的成本也较低。事实上，这种转换是通过螺杆內部的电动机完成的，就像你在普通量產电动汽车中找到的高效电动机一样。一旦螺杆加速到全速，它们就会以恆定的转速继续旋转。有一种称为自適应移动螺母的装置，它通过磁场与螺杆的螺纹耦合，而无需直接物理接触。这个组件被螺杆加速，並推动磁悬浮滑板上的太空飞行器沿著质量驱动器的长度前进。变螺距螺杆发射器的螺杆由钢製成，钢是一种相对便宜的材料 —— 我们甚至可以想像用石墨烯等材料製造强度更高、能够允许更高发射速度的螺杆，但要进入近地轨道，我们並不需要这么高的速度。由於螺杆留在地球（或安装质量驱动器的任何行星或月球）上，它们不需要按照火箭设计中通常採用的那种极高精度的工程裕度进行设计，因此製造成本相对较低。这有助於使该技术的资本成本处於大型太空计划的预算范围內。

这种发射器的一个版本於 2024 年在阿姆斯特丹举行的电磁发射会议上进行了展示，也在由英国行星学会主办的 “重塑太空” 会议上进行了展示，並且在电磁发射会议的论文集中有一篇配套论文，討论了该发射器在为期 22 年的火星人类前哨站太空计划中的应用。该论文提出，该发射器及其发射飞行器將在 10 个火星转移窗口期內，向火星运送总计 6152 公吨的设备和物资，这大约是一个 20 年的周期。但我认为，这种质量驱动器的一个关键特徵是其成本与出口速度的平方成正比，这使其相比早期的质量驱动器架构具有很大优势 —— 早期架构的成本主要由功率电子设备的成本决定，而功率电子设备的成本与出口速度的立方成正比。

要理解成本与出口速度的平方成正比的重要性，最好在双对数图上绘製成本与速度的关係曲线（对於仅收听音频的观眾，该图已显示在屏幕上）。由於变螺距螺杆质量驱动器的成本与出口速度的平方成正比，其成本 - 速度曲线是一条直线：如果速度翻倍，成本將变为原来的四倍。这条直线的具体位置取决於你所做的假设，例如发射器在其使用寿命內发射的有效载荷数量。该曲线假设发射器在其使用寿命內仅发射 6152 吨有效载荷 —— 考虑到当它不发射前往火星的物资时，还可以向轨道发射大量其他物资，这一假设可能不太现实。火箭的成本在该图上表现为一条指数曲线。这两条曲线在约 9500 米 / 秒的速度增量（delta v）处相交，这大约是火箭进入近地轨道所需的速度增量。因此，这些曲线表明，对於前往近地轨道的任务，火箭的成本与质量驱动器的成本相当 —— 不过再次强调，如果我们向近地轨道发射更多与火星任务无关的货物，质量驱动器的成本將会下降。我们只是在展示在更高速度下，质量驱动器相比火箭的成本优势。但如果我们的目標是將大量有效载荷送往月球或火星，那么就需要更大的速度增量。在这种情况下，火箭的成本会急剧上升，因为它遵循指数曲线。如果任务需要 12300 米 / 秒的速度增量，那么质量驱动器的成本將是火箭的 1/10；如果任务需要 15000 米 / 秒的速度增量，质量驱动器的成本將是火箭的 1/100；如果任务需要 17800 米 / 秒的速度增量，质量驱动器的成本將是火箭的 1/1000；如果任务需要 20000 米 / 秒的速度增量，质量驱动器的成本將是火箭的 1/10000。

如果你正在规划一项火星任务，並且希望该任务有较高的速度增量预算（例如，为了最大限度地减少机组人员暴露在太空辐射中的时间），或者希望该任务有较高的质量预算（例如，为了派遣更多机组人员、携带更多备件，並加强棲息地的防护，如使用奥尔德林循环舱，那么对於纯化学火箭架构来说，这些选择將大幅增加任务成本。然而，如果该架构使用质量驱动器，那么这些选择只会使成本小幅增加。

让我们回到与质量驱动器相关的其他一些挑战，並討论一些已提出的应对技术。其中一个挑战是大气加热。我曾谈到了使用主动结构（如洛夫斯特伦环）將整个发射器支撑在 80 公里的高度，以完全避免大部分气动阻力问题。我们之前討论过的一项名为 “星轨列车”的技术，提出了一种解决方案：在低层大气中，將质量驱动器封闭在真空管道內；在高层大气中，为太空飞行器配备热防护系统，以避免大气加热问题。根据这一概念，整个质量驱动器和大部分真空管道都位於地面，部分位於山侧，其余部分则悬浮在空中。“星轨列车” 概念提出，真空管道的高架部分將通过强大的超导线圈的排斥力来支撑。变螺距螺杆发射器基本上採用了与 “星轨列车” 支持者提出的类似技术：质量驱动器的部分位於地面或漂浮在湖泊或海洋表面（水下，以便船只和海洋生物能够不受阻碍地通过）；有一部分是穿过山体的向上弯曲的隧道，太空飞行器在其中转向天空；还有一段高架真空管道，太空飞行器通过该管道滑行，以避免在大气层最稠密的部分遇到气动阻力。

我认为高架真空管道是该架构中最令人难以接受的部分，因此让我们更仔细地研究一下这个想法。飞机本质上是大型铝管，能够在各种不同的高度可靠飞行。它们通常具有正压，即內部压力高於外部压力，以確保乘客的舒適度。然而，客机的机身设计能够承受一定程度的负压或超压 —— 有些设计能够承受 1 磅 / 平方英寸的超压，工程係数为 1.33，这相当於海平面大气压的约十分之一，也就是说，內部压力比外部压力低 1 磅 / 平方英寸。飞机的设计使其能够在这种压力下飞行而不会內爆。现在，在高架真空管道的最低点（靠近山顶），外部压力可能约为 7 磅 / 平方英寸，因此我们应该能够设计出一种带肋的铝管，其强度足以维持真空，且每米长度的重量不超过商用客机空机身的 7 倍。从工程角度来看，高架真空管道因此类似於客机的机身，但外壳稍厚，並配有更多的肋条，以帮助其在负压下保持圆形形状 —— 当然，它会比客机机身长得多。在较低的高度，虽然压力较高，但管道位於地面或漂浮在水面上，因此我们不必过多担心加固的重量问题 —— 就像潜艇可以被设计成能够承受足以压垮我们的超压一样。

接下来我们需要解决的问题是如何將高架真空管道悬浮起来。我们谈过將质量驱动器的高架真空管道悬掛在系留环上的可能性。然而，针对这个问题，还有一个我们之前未曾討论过的解决方案：用无人机为管道提供航空支撑。从无人机灯光秀中我们可以看到，大型无人机群可以被编程为以极高的精度编队飞行。专为农作物喷洒或包裹递送设计的无人机，让我们对用无人机提升物体的每千克成本有了一个很好的了解。因此，这个想法是：当每个火星发射窗口期到来时（当然还要天气允许），你指挥数千架无人机起飞，將真空管道抬升到大气层中。这些无人机可以通过管道上的电线从地面获取电能，因此它们不需要携带太多电池。最棘手的部分可能是位置保持 —— 无人机需要能够在面对阵风的情况下，將管道保持在太空飞行器预计飞行路径的中心位置，因为阵风会试图將管道推离原位。如果你是那种对 spacex 提出的塔架捕获方案持怀疑態度的人，那么你可能也会对这个方案的这一部分持怀疑態度，但这並不像 spacex 最近的超重火箭塔架捕获或早期太空梭发射那样，必须一次成功。此外，无人机產业的蓬勃发展可能会为这一方案提供很大的帮助，因为为经济中的其他用途进行的研究，会让你有多年的时间来调整无人机硬体及其控制算法，並且你可以在尝试让太空飞行器通过真空管道之前，在各种天气条件下测试该系统。因此，关於我们是否能够製造出反应足够迅速的无人机，在应对阵风以及大自然可能拋出的其他任何挑战的同时，將真空管道保持在太空飞行器轨跡的中心位置，这確实是一个尚未解决的问题，但这可能並不比用一对巨大的 “筷子” 从空中捕获火箭助推器的想法更疯狂。如果这个方案行不通，我们还可以使用巨型塔架甚至太空塔但显然，在我们製造出原型机之前，我们无法確定它是否能正常工作，以及工作效果如何。

与此同时，火箭仍然是太空发射最灵活和最易获取的选择。儘管质量驱动器可能提供长期的成本节约，但火箭的初始投资要低得多 —— 建造一枚火箭的成本大大低於建造一个质量驱动器，这使得火箭对於预算较小或发射频率较低的任务来说更实用。这让规模较小的公司或国家能够进入发射市场 —— 这本身就是一个非常 “重量级” 的领域（双关语）。这种较低的前期成本也允许更多的实验和定製，因为火箭可以根据特定的有效载荷和任务要求进行调整。在低容量方面（即有效载荷体积较小时），火箭表现出色 —— 它们可以製造为各种尺寸和配置，以处理从小型卫星发射到最昂贵的旗舰星际任务等各种任务。这种適应性使它们適用於各种有效载荷，从精密仪器到载人太空飞行器。此外，spacex 等公司开发的先进可重复使用火箭技术正在降低每次发射的成本並提高发射频率，即使有其他技术出现，也能让火箭保持竞爭力。

儘管人们常常担心火箭的安全性（由於燃料爆炸的风险），但现代火箭设计正在不断提高其安全性。在过去的几十年里，严格的测试、冗余设计和自动化技术显著提高了发射安全性。此外，火箭技术已被充分理解並受到广泛监管，数十年的运营经验为其安全协议提供了指导。火箭对环境的影响则更为复杂。目前，火箭发射的频率很低，因此我们可以忽略它们对环境的影响 —— 除了发射设施所在的局部棲息地，发射活动可能会对这些棲息地造成干扰。我们也有能力通过利用可再生能源或核能电解水来製造碳中和的氢燃料，用於火箭。总体而言，火箭提供了一种成熟、適应性强且具有成本效益的进入太空的方式，尤其是隨著新的创新不断提高其安全性、环境影响和可重复使用性。如前所述，在短期內，我们设想使用小型货运专用质量驱动器与火箭发射器协同工作，运送人员、敏感货物或非典型的大型货物。

总结

质量驱动器非常有前景，为我们提供了一种以现代发射成本的一小部分將大量货物和大量乘客送入太空的方式，但它仍然需要大量的研发工作；而火箭技术在不断进步，目前能够满足我们的太空飞行需求。不过，隨著时间的推移，我认为向使用质量驱动器的转变將会发生，我们也將看到它们在月球上的应用 —— 除非我们最终开发出更好的技术。