第261章 火箭回收（2 / 2）
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如果我们能批量生產火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生產突破，也能藉助规模效应。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，最终目標不是造一枚便宜、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，即便火箭造价10亿美元，每次飞行也只需花费几百万美元。
在开始討论燃料和金属氢之前，我想花点时间说明：可重复使用不一定是重复用於火箭原本的用途。如前所述，在老式太空梭和很多新型可重复使用火箭设计上，只有第一级被重复使用，第二级通常被遗弃坠落解体，因为它需要完成再入。
这些二级火箭不一定非要坠回地球，我们这么做主要是为了避免近地轨道被更多碎片污染——这是个严重问题。
多年来，不少人提出过这些二级火箭的替代用途，而不是把它们扔在太空或海洋里，比如把它们焊接起来建成空间站。nasa研究过很多相关方案，但从未找到一个他们认为值得额外成本和风险的方案。
不过这仍然是一个有吸引力的回收选择，尤其是隨著我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式太空梭外燃料箱的容积就超过整个国际空间站。
我们还有另一个降低成本的途径：燃料。我知道这很让人困惑，我一直说燃料比火箭其他部分便宜，却又说它是我们的主要成本，但这始终要回到火箭方程，以及你必须携带燃料这个事实。
如果我能把燃料的排气速度或比冲加倍，也就是用一半重量的燃料获得同样的推力，情况就会大不相同。
我们举个简单例子说明：我有一枚火箭，发射台处燃料质量11万千克，乾重（燃料耗尽时的质量）1万千克，我们假设其中8000千克是燃料箱（单燃料箱）。为简化起见，我们假设是单级火箭——单级火箭通常也被视为可重复使用火箭的理想最终形態。
也就是10万千克燃料、8000千克燃料箱、2000千克舱体和载荷。我们假设这枚火箭的排气速度是3300米/秒，比冲337秒，忽略空气和其他变量，刚好能把我们送入轨道。
现在把排气速度加倍到6600米/秒，比冲674秒。顺便说一句，简单解释一下比冲：你可以用排气速度除以重力加速度9.8得到比冲，这就是为什么公制下比冲数值看起来总是排气速度除以约10，英制下除以32。
幸运的是，两种计量系统都用秒作为时间单位，这也是比冲的计量单位。但这確实会造成一些困惑，因为很多人以为这是火箭燃烧的时长，而实际数值范围也大致如此，进一步加剧了混淆。
我们对这类事物的计量体系很大程度上基於地球及其重力，而我们通常正是用火箭逃离地球，所以这个数值接近並非巧合，但最好不要把比冲当作实际时间测量值，只把它看作一个通常为几百的数字，数值越高代表火箭效率越高，这样就能避免困惑。这也是我解释火箭时几乎总是用排气速度而非比冲的原因。
回到刚才的例子：11万千克的火箭，10万千克燃料、8000千克燃料箱、2000千克有效载荷，以3300米/秒的排气速度勉强入轨。现在把排气速度加倍到6600米/秒，会有什么变化
假设燃料量和燃料箱大小不变，最终载荷不再是2000千克，会是多少不是两倍，绝对不是。把数值代入火箭方程，我们会得到乾重33200千克，其中8000千克是燃料箱，所以有效载荷是25200千克，而不是原来的2000千克。
仅仅因为燃料排气速度（或比冲）加倍，载荷就提升了1260%。如果两种版本的火箭都造价1亿美元，第一种的发射成本是每千克5万美元，和太空梭一样，第二种约为每千克4000美元。
显然，我们没有这样的神奇燃料。火箭燃料的比冲通常在几百的区间，大多数市售模型火箭的比冲甚至不到100。
火箭发射的很多细节会导致，有时使用比冲更低的常规燃料反而能获得更好的性能，而且海平面和太空真空环境下的表现往往不同，这也是第一级助推器通常和第二级使用不同燃料的部分原因。
举个例子，液氢液氧是比较常用的推进剂之一，比冲为451秒。最常见的燃料依然是液氧作为氧化剂，搭配rp-1——全称是火箭推进剂1號，或精製石油1號，本质上是改性煤油，我们也大量使用。它的比冲比液氢低，只有353秒。
猎鹰9號用的就是这种燃料，大多数火箭也是，原因是它比液氢更容易、更安全地处理、储存和使用。
顺便说一句，最早的火箭燃料之一是乙醇（酒精），比冲338秒，只比rp-1低一点。所以没错，你可以用生物燃料运营太空项目。
有史以来测试过的比冲最高的火箭燃料是上世纪60年代某团队尝试的氟和氢组合，达到542秒，但这种燃料被认为不实用。儘管如此，它在过去半个世纪里保持著火箭燃料的纪录。
现在这个纪录正受到挑战，有一种物质叫金属氢，几年前开始受到关注，最近频频登上新闻。我们来简单聊聊它。
这不是一种新物质，最早在20世纪30年代就被理论预测。我们认为，在木星、土星等行星的大气层深处，足够强的压缩力能把氢从气体变成液体，最终变成固体。
这种物质有很多惊人的潜在特性，包括室温超导性。最近哈佛大学的研究人员认为他们在实验室里製造出了它。近年来这一领域的主要研究者是哈佛大学的艾萨克?西尔维拉，我会附上他几年前为nasa写的一份关於其火箭燃料潜在用途的简短报告，以及在此之前他一份討论基本理论的报告。
它的理论比冲不是其他火箭燃料的300到500秒，而是1700秒。我们花点时间感受一下这个数字。
还是用刚才的单级火箭例子，如果发射台处总质量还是11万千克，最终乾重会达到68000千克，同样假设燃料箱重8000千克，那么有效载荷就是60000千克，而不是最初例子里的2000千克。
如果这枚火箭造价1亿美元，送入近地轨道的成本仅为每千克约667美元，而不是太空梭的每千克5万美元，也不是我们之前算的、用酒精燃料、比冲337秒的火箭的成本——便宜了30倍。
更重要的是，这让单级火箭的想法再次成为可能——能起飞、著陆、加油，不需要多级火箭带来的所有问题，还能採用坚固结构，让轻鬆重复使用成为选项。
基本上就是太空飞机，仅靠內部燃料就能起飞入轨，释放乘客和货物，著陆后再次执行任务。
不用说，我们距离將金属氢用作燃料还有很长的路要走，而且从长远来看，它可能没有我们想像的那么好，或者实际使用並不现实。
我们畅想一下：如果能工业化量產石墨烯製造宇宙飞船，用金属氢作为燃料，那么太空探索就不需要其他任何新技术了——因为你能设计出仅需40%质量作为燃料就能抵达近地轨道的飞船，而石墨烯这种材料能让飞船造得更轻、更耐用、更可重复使用。
当然，同样的材料也能让我们造出长长的非旋转天鉤，即便可靠性还达不到太空电梯的要求，到时候你只需要约25%的燃料，飞船也不需要那么坚固。
最终你会拥有一套载荷质量超过燃料、火箭和飞船总质量的火箭系统，普通人终於能带著家人坐火箭去轨道度假，或者去月球迪士尼乐园。
我们聊了很多发射系统，顺便说一句，它们大多数都和我们今天谈到的理念完全兼容。但这种经典的火箭技术仍然有很大的发展空间，尤其是如果有人能找到金属氢的量產、储存和安全用於火箭发射的方法。
如果我们能降低火箭製造成本，或者降低回收和翻新成本，再搭配金属氢这类新型超级燃料，发射成本会暴跌到接近我们之前討论过的一些发射辅助系统能达到的水平。
可重复使用火箭会取代它们、让它们变得多余吗不，就算有金属氢也不会。你始终受限於火箭方程的动力学，所以其他方案依然能取得更好的效果。
而且很多方案也能从火箭的技术进步中受益：比如用金刚石般坚硬的石墨烯製造火箭壳体，会让火箭更轻、更可重复使用，但同时也会让天鉤或太空电梯变得更可行，道理是一样的。
像金属氢这样可能实现的常温超导体，也会让质量驱动器或太空炮更可行。
但它们確实有很大希望让当下的太空旅行变得更便宜，同时通过降低成本打开市场，让太空旅行的需求上升，从而支撑我们討论过、以及未来会討论的一些理念所需的巨额研发和资本投入。
我不认为它们是太空旅行的真正未来，但它们很有希望成为一扇大门，最终打开让普通人能负担得起太空度假、让太空商业和工业利用成为经济主要板块的技术。
从这个角度来说，可重复使用火箭无疑是很长一段时间以来太空探索领域最棒的进展之一。