市場資訊

作者：老和山下的小學僧

來源：老和山下的小學僧

人類有史以來最大的火箭——SpaceX星艦+B4火箭，於2023年4月20日首飛失敗，引得網上口水戰再起，有的罵江湖騙子，有的誇未來之光。於是，本僧決定再湊一回熱鬧。

第一回湊熱鬧是在2018年，寫了一篇《娛樂巨星：獵鷹火箭》，大意是說：老馬（馬斯克）用成熟技術幹了一件大事，至於這路子最終能走多遠，咱也不知道，只隱約表達了一點不太看好的個人想法。

 

第二回是在2021年，寫了一篇《倔強不鏽鋼：星艦》，大意是：老馬巧妙利用資本的力量，採用快遞迭代、快速試錯的方法，儘量壓榨現有技術的潛力，竟然榨到了相當高的境界，隱隱有了一統天下的風採。

 

不熟悉老馬套路的同學可以看看這篇文章，不說是好是壞，至少和穩紮穩打、精益求精的傳統航天路線是完全不同的。

 

今天，結合本僧新書中的內容，咱順着星艦的話題，扯一扯那些不太靠譜的另類航天路。

 

火箭爲什麼要大推力

 

火箭和飛機的飛行邏輯是完全不一樣的，飛機只要多帶一半燃料，差不多就能多一半航程，而火箭就沒這麼簡單了。

 

對於太空旅行來說，速度意味着航程，因爲大家都是在地球附近加速到某一速度，然後被甩到太空里的，初速度就決定了航天器能飛到哪里。想要飛得遠，先要飛得快。

 

這就帶來一個問題，火箭想飛得越快，燃料就越多；燃料越多，火箭就越重；火箭越重，起飛時發動機推力只能跟着變大。也就是說，能飛遠的火箭註定是一枚大推力火箭。

 

在這個惡性循環中，燃料是非常吃虧的，因爲速度增量和燃料增量並不成正比，而是呈指數關係。以SpaceX的液氧甲烷燃料爲例，假設火箭加速到8km/s需要100噸燃料，那麼加速到16km/s則需1160噸燃料，同時，也意味着發動機推力要增加十倍以上。

 

地球人最大推力的火箭發動機當屬俄羅斯的RD-171系列，單臺推力超過了800噸，啥概念呢？這傢夥每秒要把大約2噸的燃料擠進壓力高達200多個大氣壓的燃燒室，負責幹這個活的叫渦輪泵，其功率與一艘核動力航母相當。也就是說，僅僅一個火箭發動機里抽燃料的泵，就可以推着一艘十萬噸的航母在海上狂奔，難度可想而知。

這路子一看就知道很不好走，因爲人類的材料都是有極限的，很多設備已經把材料逼到極限邊緣工作了，留給我們的潛力真的不多了。更悲劇的是，即便我們絞盡腦汁，搞出了1000噸推力的發動機，其實也幹不了多少活。所以，人們不得不把幾個發動機綁在一起工作。

 

於是，我們就迎來了一道概率計算題。

 

兩條路

 

假設我們需要一枚推力3000噸、可靠性90%的火箭，那麼，可以用3個可靠性96.5%的1000噸大推力發動機捆綁，或者用20個可靠性99.5%的150噸小推力發動機捆綁。

 

傳統航天大國認爲，大推力路線更靠譜，而SpaceX的老馬則認爲，小推力路線也值得嘗試。

 

從這個角度說，不管老馬的火箭炸了多少次，都是值得肯定的。相關話題前文已經說過，還沒過時，這兒就不重複了。

繞過這些紛爭，我們把眼光看得稍遠一點，人類採用哪種技術路線更容易縱橫太陽系呢？

 

本僧在書中舉過一個例子，把地球上所有化石燃料，諸如石油、煤炭、天然氣，全都轉化成火箭燃料，只能把十分之一座泰山送出太陽系。可見，就算你把火箭發動機做得和自行車一樣成熟，未來人類也不可能像穿梭於地球各個城市那樣頻繁穿梭於太陽系各大行星，這是化石燃料的天然困境。

 

於是，人們又在探索“離子推進器+核反應堆”的技術路線，中美兩國在太空版核反應堆的路上已經蹚出了不少，試圖用核能爲地球火星之間的大質量運輸提供能源。

圖上標題寫的是：國家重點研發計劃 空間反應堆項目啓動暨實施方案論證會。實際上，這個項目已經於2022年通過驗收了，未來咱們很有可能把核電廠搬到太空。無論在哪，只要有了充足的電，萬事都好辦。

 

那麼問題來了，除了這種傳統路線，還有沒有一些取巧的另類路子，值得各國老馬們嘗試呢？

另類野路子

 

不管是核能還是化石燃料，太空運輸都會消耗大量能源，那有沒有可能把這些能量收集起來，反覆利用呢？

 

就好比，電梯下行的時候，把重力勢能收集起來，等電梯要往上走的時候，就把能量釋放出來驅動電梯，如果忽略摩擦力和損耗的話，理論上，電梯自身的上下是不消耗能量的（貨物另算）。

 

同理，以地球和月球爲例，飛船飛過了拉格朗日點，剩下的路程是靠地球引力吸回來的，相當於一個很高很高很高的電梯往下掉，所以到了地球附近速度非常快，需要開啓發動機減速，非常浪費能量。

 

於是，新路子就來了。

 

在地球附近建設一系列電磁線圈，飛船衝進線圈，利用電磁場逐步減速，根據電磁感應原理，飛船減速的能量就可以轉化爲電能存儲起來，整個原理就是電磁炮發射彈丸的逆向過程。

等下次要去月球時，把電能釋放出來，像電磁炮那樣把飛船打出去。

同理，在月球附近也建設一排電磁線圈，把飛船衝向月球的能量轉化爲電能，用來返回地球時使用。

 

理論上說，這樣兩組電磁炮，可以把飛船在地球和月球之間來回發射，能耗極低。如果線圈用的是超導線圈，那能量損耗更加微乎其微。

 

除了能耗之外，還有一個動量守恆問題，兩組電磁炮相互扔飛船的過程中，因爲動量守恆定律，兩者距離會越來越遠。不過這個問題不難解決，電磁炮不是靜止在太空，而是繞着地球轉圈，因此可以利用轉圈時不同的速度方向進行接收和發射，抵消衝量。

 

像這種太空電磁碼頭，每個行星都建幾組，那麼太陽系里的頻繁往來將不再消耗大量能源。

 

原理有了，接下來算一算工程量。

 

從地球外面回來的飛行器，要從第二宇宙速度降到第一宇宙速度，加速度按5g算（現有火箭發射時的加速度，宇航員都能承受），飛船按10噸計，則需要50萬牛的阻力。

 

這點力氣，即便是現在的技術也能輕鬆完成，一般的電磁炮能把10公斤的彈丸以幾萬個g的加速度扔出去，推力高達數百萬牛。

 

不過，降速路程有點長，大約500公里。也就是說，要在太空建一排長度500公里的線圈，總質量嘛，怎麼也得有5萬噸。

 

把5萬噸貨送到太空，快遞費5000億打底。超導材料目前有點貴，咱們先用銅線圈加超級電容的方案，加上控制系統、推進器等，拍大腿算算，造價再算5000億。

 

所以，咱們的預算就出來了——1萬億。

 

好了，各位老馬們，反正錢閒着也是閒着，不如大夥湊個1萬億，在地球附近架一臺太空電磁碼頭，爲人類航天事業蹚幾步路，如何？