01
可重复使用的火箭
其他
通往太空的廉价方式，存在吗？
>> 本期内容改编自湖南科技出版社的《迷人的技术》，本节目的播出已经获得了湖南科技出版社的授权，在此表示感谢。
湖南科技出版社前不久刚刚出版了一本新书，叫《迷人的技术》，我一收到这本书，几乎立刻就被这本书迷住了，这书名起的还真得名副其实。这是一本预测未来的书，总共介绍了 10 个未来技术的方向，每一项技术听上去都极为诱人，前景也极为广阔。
在开始正式播讲之前，我想先从最近一项令人震撼的发明开始切入。这个发明叫超导量子干涉仪，它的首字母缩写刚好是鱿鱼 SQUID 这个单词。这种极其灵敏的装置可以探测到大脑中不易被察觉的磁场，这意味着，人类终于可以不用在颅骨上打洞，就有可能分析出人的思维模式。畅想的远一点话，这差不多就已经是思想读取器的雏形了，很恐怖的一种发明。
图：超导量子干涉仪测试系统
如果我们回到 200 年前，你去问当时的科学家：如何才能发明出一种思想读取器呢？他如果这么回答你：这个发明的第一步是要设法将一些气体变成液体，留在玻璃管中。不知道你听到以后会不会以为他精神错乱。当然，我估计，200 年前也不可能有人会朝这个方向去想。但事实上，超导量子干涉仪发明的起点还真的就是从液化气体开始的。让我来给你简单说一下这个发明的脉络：
200 多年前，法拉第在制作一些玻璃器皿时，他发现，自己不小心留在一支加压玻璃管中的气体变成了液体。这个现象引起了很多同时代科学家的兴趣，因为没人想到，气体居然能变成液体。后来，人们发现，比起给气体加压，让气体液化的最佳方法是冷却。于是，这种领悟引导科学家们发明了先进的制冷技术，他们把各种气态元素都液化了，例如氢气和氦气。而且，你一旦把氢或氦给液化，那你几乎就能冷却一切东西了，很简单，只要把这些物体浸入到液氢或者液氦中就可以了。比如，液氦的温度大约是零下 268 摄氏度，如果你把一枚硬币给扔到液氦中，很快，这枚硬币也会变成零下 268 摄氏度了。
与此同时，另外一些科学家开始好奇，导体在极低的温度下会发生什么呢？之前在常温下，人们已经发现，导体的性能会随着冷却而提升，也就是电阻会降低。这是因为导体有点像是运输电子的管道，但它们并非是完美的，比方说，一根铜线中的铜原子会阻碍电子的运动。
大家知道，热的本质实际上原子级别的高速振动。你可以把电子想象成在高速公路上开的跑车，而原子就是路上的一些障碍物，如果这些障碍物晃动的越厉害，那么你就越有可能撞上它们，这就是为什么电阻会变大。而更糟糕的是，这些原子被撞的次数越多，它们就会晃的更厉害，晃的更厉害就更容易被撞上，如此恶性循环。所以，你的笔记本电脑总是越用越热，越热越慢。
要提高导体的导电性能，最简单的办法就是降温。当科学家们把某些导体的温度降低到极低的温度时，发现了一个非常神奇的现象，它们会突然变成完美的导体，电阻降为了零，这就是超导体。
如果你在一个用超导体构成的回路中通电，电便会永远地环形流动。它会导致各种各样的不可思议的事情！比如说，那股环形电流将产生一个磁场。此外，这意味着你可以将这些冷却的金属变成永久性的磁铁，其磁场强度取决于电流量。
随后，在 20 世纪 60 年代，布莱恩•约瑟夫森发现了一种能探测到磁场中细微变化的超导体排列形式。这种名为约瑟夫森结（Josephson junction）的装置最终使量子超导干涉仪的发明成为了可能。
你看，这个发明的历程很好地说明了，很多时候科学家们完全想不到正在捣鼓的东西，会对未来的技术产生什么样的影响，看似八竿子打不着的技术，最后竟然发生了奇妙的联系。技术的发展总是在出乎人们的意料。如果倒回五十年，你去问当时的科学家，五十年后人类拥有一个月球住人基地的可能性更大还是拥有一个能放进口袋中的超级计算机可能性更大？我想，绝大多数科学家都会告诉你月球基地可能性更大，因为 50 年前我们刚刚登上月球，全世界的科学家都认为下个世纪是宇航世纪。可实际上，我们都知道，从 1972 年之后，就再也没有人类登上过月球了，而今天的手机，以 50 年前的眼光来看，就是超级计算机，已经放进了每个人的口袋。
技术的发展就是这样，太难预测。但即便是这样，我还是很喜欢看这类对未来做出技术预测的书。为什么呢？因为让我努力保持健康长寿的一个很大动力是我想看看人类的最新科技，我们这一代成长的这几十年正是人类历史上民用技术发展最迅猛的几十年，回想一下我们小时候的生活，你不觉得我们现在就生活在科幻世界中吗？
信息技术的发展带给我们生活的变化实在是太巨大了。我真的很好奇，如果按照这样的速度往下发展，未来都能涌现出什么新奇的技术，我希望能多活几年看到更多有意思的科技成果。当然，没有人可以永生，至少我们这一代人没有这个机会，那我们这一代人弥补遗憾的方式就是尽可能地用靠谱的科学思维去畅想未来的科技，这等于就是提前看剧本，享受一下剧透的乐趣。
这就是我会被这本书迷住的原因，因为这本书中谈的很靠谱，让我感到作者预测的未来很有可能会发生。好了，我已经迫不及待地开始要给你讲本书的第一章：通往太空的廉价方式。
科幻迷都知道，1968 年，著名科幻作家阿瑟·克拉克和著名导演库布里克合作，完成了《2001 太空漫游》的小说和电影，到今天依然是太空科幻的经典。从这个电影中你可以看到当时人们对于太空漫游的乐观，到了 2001 年人类就可以漫游太阳系了。电影上映的第二年，人类登上了月球，对宇航时代的乐观情绪弥漫在每一个地球人脸上。可是，今天我们都知道，宇航时代似乎离我们还非常非常遥远。原因是什么呢？
图：《2001太空漫游》剧照
其实理由非常简单，一个字：钱。以人类现在掌握的化学火箭的技术，脱离地球引力实在太贵了。现在要把1斤重的东西送入太空，大约需要花 1 万美元。什么概念呢？如果在太空站中有一家麦当劳，那么一个普通的汉堡的售价至少也需要 2500 美元。
为什么会这么贵呢？主要的原因是化学燃料消耗的太快了。我给你打一个比方，我们现在用火箭去太空，就好像一辆从小轿车从北京开到济南，但必须要拖一个比自身重 4 到 5 倍的巨大油罐，否则油就不够用。所以，你会发现，这些燃料燃烧所产生的动力绝大部分都用在了移动燃料本身上了。更悲催的是，这辆小汽车最多只能装相当于自身重量五分之一左右的货物，而这些货物才是你真正需要的东西。还有更悲催的，除了货物以外的所有东西，小汽车、油罐等等，全都是一次性的，用完一次就报废。在这个比喻中，你还需要知道一个条件，从成本上来说，燃料的成本相对很低，小汽车和油罐很贵。
好了，我们搞清楚了用化学火箭把货物送入太空为什么会这么贵之后，就可以来设想各种可能的降低成本的方案了。
实际上，美国人制造航天飞机就是这个目的，想通过重复使用来降低成本。但最后事与愿违，航天飞机的总费用反而比常规火箭更高。不算测试用的，美国人建造的正式服役的航天飞机一共有五架，结果机毁人亡了 2 架。原因当然非常多，但主要的原因是系统过于复杂，导致安全可靠性都下降。所以美国宇航局最终还是放弃了航天飞机。
现在美国的太空探索公司 SpaceX 继续沿着可回收火箭的思路在努力降低发射成本，他们已经成功地做到了把火箭的一部分进行回收再利用。埃隆·马斯克似乎宣称过他最终能让费用降到1/100，但目前看来，这仅仅只是马斯克的豪言壮语，离实现还差着十万八千里。另外，需要强调的一点，马斯克他们能做到的仅仅是对发射载具，也就是一级或者二级火箭的箭体进行回收，飞船本身是无法回收再利用的。因此，最终靠回收载具能够节省的成本其实是有限的，因为他还是无法解决有效载荷占火箭总质量太小的结构性矛盾。
02
喷气式火箭和太空飞机
当今绝大多数的飞机所使用的是涡轮风扇引擎，原理是这样：风扇会将空气吸入一个燃烧室中，然后将它们压缩，所以一个很小的空间内会有很多的氧气。接下来，燃料会被注入并被点燃。结果就是当涡轮风扇引擎吸入更多的空气时，它会把热的压缩空气向后方排出，产生推力。
但是这种引擎在接近音速时，涡轮风扇引擎便会遇到麻烦。在音速时，空气绕过飞机的速度无法同它积聚的速度一样快，所以空气就会显得不够用了。
一种解决办法是使用加力燃烧室，设法吸入涡轮风扇引擎后方的剩余空气，然后向它泼洒更多的燃料并点燃。这就相当于在飞机的后方制造出少量持续的爆炸。利用这种方法，飞机能达到 1.5 马赫，一旦达到这个速度，就可以使用冲压式喷气引擎了。
冲压式喷气引擎原理很简单，但制造起来就难了。大致说来，就把涡轮风扇引擎中的所有活动部件——包括风扇——给去掉。这种引擎不需要一个压缩空气的风扇，因为速度本身就会压缩空气。但缺点就是冲压式喷气引擎不可能在起飞的时候就启动，因为速度本身才是空气压缩机。比如说，军用的 SR-71 侦察机上就配备了一台可变的涡轮风扇引擎。一旦飞机达到适当的速度，这台引擎就会通过改变形态来像冲压式喷气引擎一样运转。
飞机的速度继续升高，就得使用一台“超音速燃烧冲压喷气引擎”了。原理更简单，但制造难度却更大。大致说来，超音速空气进入引擎，并在速度不减慢的情况下与燃料一起被直接引燃。这是因为氧气来的太快了，以至于在不用压缩的情况下便取得一次燃烧反应，但是这有点像你要在超音速的风中点燃一根蜡烛，很困难。这种引擎现在还处于试验阶段，理论上，它们能达到 25 马赫，这已经是进入地球环绕轨道的速度了。但目前我们离这个目标还有很大的距离。
一架理想的太空飞机可以按顺序使用不同类型的引擎来抵达太空。一旦到达太空，就没有氧气可用了，所以太空飞机必须切换到使用火箭推进剂的传统方法，但是在进入太空之前，它可以使用空气中的氧气，等于把大气层当做是加油站了，所以，可以降低燃料的使用，这可能足以让太空飞机携带 10 倍的货物量。
此外，不同于火箭，太空飞机更容易被回收。如果太空飞机能在不造成太多损坏的情况下重复完成降落，那便解决了载具损失和燃料效率的问题。
难处在于所有这些引擎都必须能在极端环境中运转。要优化一台超音速燃烧冲压喷气引擎，需要针对的环境是非常极端的，以致于单是在地面上模拟这些环境的费用就已非常高昂了。
一家名为反应引擎（Reaction Engines）的英国公司正在研制一种名为云霄塔的载具，它使用的引擎叫做协同吸气式火箭引擎（Synergetic Air-Breathing Rocket Engine）。 这是一次既昂贵又艰难的尝试，但他们确实从欧洲空间局和英国政府获得了数量可观的资金。如果事情顺利的话，他们有望在十年内让一架配备了这种引擎的先进飞机投入使用。
图：协同吸气式火箭引擎
03
超级大炮
凡尔纳的科幻小说《从地球到月球》就设想过一种超级大炮，可以把一颗载人的空心炮弹从地球打到月球上去。这当然夸张过度了，地球上不可能造出这么巨大的大炮。但是，如果我们的目的仅仅只是把一些小东西打到地球轨道上去，那么就是有可能的了。这种办法的优点是不会有废弃的部件，不需要用燃料去运送燃料。我们可能需要建造一门口径30米，长度达到上千米的超级巨炮，每次发射需要好几吨重的爆炸物。现在，至少已经有两项资金充裕的政府项目正在探索这种办法了。但这种办法有两个缺点：
第一， 每次发射都是一场巨大的爆炸，这就需要某种能承受好几吨爆炸物质频繁爆炸的燃烧室。
第二， 不可能送人，因为人最多也就能承受 20g 的加速度不死亡，为什么？好吧，如果你在自己汽车中放一杯水，车子猛地加速，杯子中的水会急剧地后倾，并在加速停止前保持着这样的倾斜。想象一下这只杯子是你的身体，而水是你的血液，然后，你的时速要在 10 秒内达到 27000 公里，而不是 100 公里。
不过，这也许没有听起来那么糟糕。我们仍然可以发射一些“被加固过的”货物，例如经过特殊设计的电子器件。还可以发射各种各样的原材料：金属、塑料、燃料、水和牛肉干。有一个好主意是让轨道加油站接收从一门大炮中发射的燃料。
虽然这种大炮不能把人类直接送进太空，但是，试想一下，如果我们有这样的大炮。那么我们就可以把原材料先发射到太空中，然后在太空组建巨型太空飞船，我们自己再搭乘火箭进入太空飞船。
有些科学家还设想了一种电磁轨道炮，建设一根 100 多公里长的真空管，然后用强力磁场给管道中的列车加速。这个方案在理论上也可行，但最大的问题是建造如此长度的真空管和真空管中的列车系统，所花费的价格可能是极其昂贵的，未必会比火箭省钱。还有一个问题，列车会从真空状态以轨道速度的高速冲进空气中，空气会与列车发生激烈的对抗，足以产生极高的温度，所以对列车的材料和性能都有很高的要求。有些人设想，可以把这根管道建的足够高，让它的出口在空气稀薄的超高空，这样就会好很多。但是，这个高度起码要达到 4 万米才够，是差不多 5 个珠峰的高度，没人知道该怎么才能修建这么高的真空管道。即便知道，修建费用也一定是一个天文数字。
04
激光点火装置
火箭主要是通过在尾部燃烧喷射气体来工作的。因此科学家曾经设想：是否能把一道激光束射向一枚飞行中的火箭的尾部呢？
使用这种办法能节省大量的燃料。事实上，有一个研究小组曾提议可以用一台功率足够大的激光器来让一枚火箭在不使用燃料的情况下升到7英里高的大气中。只通过剧烈地燃烧火箭底部的空气便能获得速度，可一旦达到足够的高度，就得使用燃料了，但因为有额外的激光热量，火箭所需的燃料仍会少得多。
但问题是，这需要一台输出功率接近 5 万兆瓦的激光器，这大概等同于 50 座核反应堆在同一时间下的总输出功率。虽然，这台激光器只需持续发射十分钟左右，需要的总能量并不是个疯狂的数值，但是这种功率的激光器还是太疯狂了。现在人类能制造出的最大功率并能持续发射的激光器是美国的军事武器，其极限功率为 1 兆瓦。此外，这种激光器只能持续发射 1 分钟左右。
布朗大学的一个研究小组另辟蹊径的提出，一台大功率的激光器可以被用来减少高达 95% 的空气阻力。怎么做呢？想象一下当一枚火箭升空时，向上方射出一道激光，这会让火箭上方的空气密度变小。
但这个方案还带来一个巨大的地缘政治的问题，这种大功率的激光器也可以轻易地摧毁地面的任何目标，所以，一个国家如果开发这种大型激光器，其他国家不会相信他们仅仅是为了航天用的。
05
从高海拔出发
阻碍火箭脱离地球的有两样东西，一样是地心引力，一样是空气阻力。我们不可能改变地心引力的大小。但是，空气阻力是有可能改变的，这就是让火箭从更高的海拔出发，因为海拔越高，空气越稀薄。有三种方案实现高海拔出发：气球火箭、平流层宇航基地和机载火箭。
气球火箭就是先用一个气球搭载火箭升到高空，然后再点火发射。早在上世纪 50 年代便被尝试了，但很快便被放弃了，最大的难题是气球一旦开始上升，就很难被良好地控制。
那么，建造一个平流层的宇航平台可行吗？就是建造一艘巨大的飞艇，悬浮在平流层中，我们暂且不说他所要花费的巨额费用可能并不能让我们达到省钱的目的。作为一种选择，大型飞艇可能是一种糟糕的发射方式，因为当绝大多数人在思考航天发射的替代方案时，大型飞艇是他们想到的第一个主意。尽管我们非常希望这是一个好主意，但它解决的是一个错误的问题，因为我们真正需要解决的是速度问题，而不是海拔。这个方向本末倒置了。
机载火箭则更为有趣一些，而且维珍银河（Virgin Galactic）和其他一些公司已开始利用这种办法来进行航天发射了。大致说来，首先找一架大型飞机，并把火箭绑在这架飞机的顶部或底部。接下来，把这架飞机升到最高，并加速到最大，然后启动火箭。其想法是从一定的初始速度和海拔出发能节省一些推进剂。此外，因为是从一架飞机上发射火箭的，所以不必对天气状况有太多的担忧。如果天公不作美，那就飞到气流平稳的地方去发射火箭。
问题在于这只能获得极小比例所需的速度和海拔，因此节省的燃料量可能很少。此外，我们必须从一架超级飞机上发射一枚体积又大、温度又高的火箭，而这架飞机既会增加发射的费用和复杂性，也会限制火箭的体积。马斯克的太空探索技术公司也曾经考虑过机载火箭，但最终还是否定了这个方案。
好了，到目前为止我介绍的 5 种降低宇航发射成本的方案似乎都不是最理想的，它们都有这样那样的问题，很难真正解决人类廉价进入太空的目的。难道我们真的走入死胡同了吗？人类真的走不出地球这个摇篮吗？不是的，这只是因为做节目的需要，我故意把最好的方案留到最后说而已。想要迈入太空时代，目前人类能想到的唯一可行的方案就是——我们下期揭晓答案。
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