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第261章 火箭回收(2 / 4)

收,因此并非完全可重复使用。我们还要注意,每次发射标价 6000 万美元,其中几乎没有成本来自燃料,它将 1 千克载荷送入近地轨道的成本略高于 1000 美元,远比航天飞机估计的每千克 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,相比航天飞机,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 —— 赤道大部分局域是海洋而非陆地 —— 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,每加仑燃料映射的燃料箱重量更小。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

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