第249章 火箭發射
李水旺新一期視頻：
火箭和質量驅動器都有望將人類送入太空，但哪種方式能讓我們走得更遠、更快、更智能，
且成本更低？
今天，我們不僅要比較兩種發射系統，還要比較兩種太空旅行的基本方式 —— 火箭技術和質量驅動器。我們將探討每種方式的優缺點，因為兩者都有各自鮮明的優勢和劣勢。大多數人已經對火箭相當熟悉，但質量驅動器是一個不太常見的術語，所以首先讓我們簡要介紹一下質量驅動器。質量驅動器的範疇相當廣泛，包括化學動力火炮和軌道炮，但就我們今天的討論而言，我們將重點關注被稱為直線電機的這一類別。這種電磁推進系統旨在沿著一條長軌道將物體或有效載荷加速到高速。它通過電能產生電磁力來推進有效載荷，將其送入軌道或送上不同的軌跡。因此，利用質量驅動器加速的有效載荷不需要消耗機載推進劑，避免了火箭方程的複雜性。這種有效載荷可能是一個貨運艙，我們通常將其想像成一艘太空飛行器，它配備了推力裝置和少量機載燃料供應，以幫助其達到軌道速度並在太空中機動，就像太空梭曾配備軌道機動發動機來實現這一目的，以及之後重新進入大氣層著陸一樣。要用於太空發射，質量驅動器需要具備四個關鍵特性。
第一個特性：低機械摩擦
理想情況下，其有效載荷應沿著軌道滑行，無需直接物理接觸。這使得它能夠實現高重複使用率，而無需因磨損而停機進行翻新。
第二個特性：低大氣摩擦
理想情況下，質量驅動器應在近真空環境中運行，因為在稠密空氣存在的情況下，高速會產生顯著的阻力和熱量。這使得它們非常適合月球等無空氣的天體，但在地球或火星等有大氣層的天體上，質量驅動器要麼必須位於非常高的海拔處，例如火星最高的山 —— 奧林匹斯山山頂；要麼如果無法實現這一點，發射軌道需要封閉在一個真空管道中，直到達到大氣層足夠稀薄的高度，太空飛行器才能繼續向上穿過大氣層進入太空。
第三個特性：加速度與軌道長度相關
出口速度等於加速度與軌道長度乘積的兩倍的平方根，因此出口速度取決於加速度和軌道長度。由於存在平方根關係，要使速度翻倍，你需要將加速度提高到原來的四倍、將軌道長度延長到原來的四倍，或者同時將加速度和軌道長度都提高到原來的兩倍。同樣，要使速度變為原來的三倍，可以同時將兩者都提高到原來的三倍，或者將加速度或軌道長度提高到原來的 9 倍（即 3 的平方）。因此，如果有效載荷能夠承受極高的加速度，質量驅動器可以做得很短；但如果需要溫和地加速有效載荷（例如載人質量驅動器的情況），質量驅動器就需要做得很長。質量驅動器需要在讓有效載荷承受過大加速度與自身過長且可能成本更高之間找到一個可接受的平衡點。
第四個特性：與牛頓第三運動定律相關
作用力與反作用力大小相等、方向相反。火箭通過噴出燃燒後的推進劑來加速，這些燃燒後的推進劑就是火箭的反作用力質量。而質量驅動器通常固定在行星天體上，因此當它加速飛行器時，反作用力質量是整個行星天體的質量。質量驅動器依靠行星的固體質量來產生推力，就像我們走路或跑步時所做的那樣 —— 我們依靠地球的質量來推動自己前進。我們可以（而且很可能會）讓質量驅動器以高加速度運行，尤其是用於貨運艙時；但長距離、低加速度的質量驅動器使我們能夠在需要的情況下實現低加速度，例如對於那些因健康狀況限制而無法承受高加速度的太空遊客，或者對加速度敏感的貨物。火箭的飛行過程也較為顛簸，而質量驅動器的運行通常比火箭更平穩、更穩定。如果質量驅動器以 4 倍重力加速度（4G）運行，那麼到達低軌道速度的行程僅需 199 秒，即略超過 3 分鐘，軌道長度為 482 英里（775 公里）；以 9 倍重力加速度（9G）運行時，到達低軌道速度的行程將持續 88 秒，軌道長度為 214 英里（345 公里）。這個 9G 的限制大約是大多數人能夠承受的最大值，而且即使如此，也只有身體健康的人才能在短時間內承受。然而，加速度更高、軌道更短的質量驅動器可用於將貨物或其他物資送入太空。大量貨物可以承受 100G 甚至 400G 的加速度，相應的發射持續時間分別約為 8 秒和 2 秒，軌道長度分別為 19 英里（31 公里）和 5 英里（8 公里）。不過，在地球上，你很難找到基於 400G 加速度設計的質量驅動器，因為所需的軌道長度太短，無法有效穿越大氣層。但在月球上，由於沒有大氣層的阻礙，一個 400G 的質量驅動器僅需約 360 米（1181 英尺），即四分之一英里長的軌道，就能以 1680 米 / 秒的速度將有效載荷送入月球軌道，這大約是地球軌道速度的五分之一。同樣，在火星上沿著奧林匹斯山一側建造的軌道也是可行的。質量驅動器在月球相關概念中尤其受歡迎，可用於將月球上的燃料、散裝金屬或開採的岩石送入太空。其工程挑戰更容易應對，還能避免與發射台和月塵相關的問題。質量驅動器也適用於小行星，採礦者可以利用它們將物資送回地球。它們還可以在行星之外使用，將太空飛行器加速到星際速度，甚至為其減速 —— 不過後者是一個相當複雜的話題，我們今天暫不深入探討。稍後，我們還將進一步探討其工程設計和經濟性。
現在，讓我們把焦點轉向火箭。火箭技術的基本原理是動量守恆。動量等於質量乘以速度，因此如果將物體的速度翻倍，其動量也會翻倍。由於動量必須守恆，任何動量的增加都會被其他地方大小相等、方向相反的動量變化所抵消。當你蹬地跳躍時，你實際上會給地球一個相反方向的相同動量；然而，由於地球的質量大約是人類的 1000 億萬億倍，它獲得的速度只是我們的極小一部分。在太空真空中，沒有可藉助的施力物體，因此火箭通過從尾部噴出物質來推進自身。這種推進劑可以是任何物質，但在化學火箭中，它通常是燃料燃燒後的廢氣。推進劑從火箭尾部噴出的速度被稱為排氣速度。一般來說，廢氣溫度越高，其分子運動速度就越快；在相同溫度下，分子質量越輕，運動速度也越快。例如，一些火箭使用氫氣和氧氣作為燃料，氧原子的質量是氫原子的 16 倍（氫原子的質量約為 1 原子質量單位，1 原子質量單位約等於一個質子或中子的質量）。在相同溫度下，單個氫原子的運動速度是氧原子的 4 倍，因為 16 的平方根是 4。雖然由於溫度帶來的高速度，原子氫本可以成為一種極佳的推進劑，但大多數火箭的廢氣粒子質量更重。例如，在氫氧火箭中，廢氣主要是水（18 原子質量單位）；而在使用煤油（RP-1）等碳氫燃料的火箭中，廢氣包括水和二氧化碳（44 原子質量單位）。在相同溫度下，這些質量更重的分子的運動速度明顯慢於單個氫原子。它們是燃燒過程的產物，為火箭推進提供能量；而單個原子或小分子則需要通過核燈泡或微波束等方式加熱，這些都是我們在其他地方討論過的話題，如果你感興趣可以進一步了解。如前所述，在相同溫度下，分子質量越大，運動速度越慢。因此，當二氧化碳分子以 1000 米 / 秒的速度運動時，水分子的運動速度為 1563 米 / 秒，而單個氫原子的運動速度則高達 6633 米 / 秒。如果我們設想一種驅動裝置，它只是一個大型微波裝置，將推進劑加熱到燃燒室在不熔化的情況下所能達到的最高溫度，並且其能量來自瞄準它的微波束，那麼我們顯然會選擇氫作為推進劑。我們也可以通過離子驅動器中的雷射來實現這一點 —— 離子驅動器利用電磁力將離子作為推進劑噴出，其原理類似於一個小型質量驅動器。燃料和氧化劑通常與太陽能或核能等能源一起攜帶，而離子則作為推進劑。這一點非常有用，因為在這裡以及在大多數核驅動裝置等非燃燒驅動裝置中，你的廢氣或推進劑可以是高溫且高速的氫，而不是質量更重的燃燒產物（通常是水和二氧化碳，與燃氣汽車的廢氣成分相同）。
火箭面臨的一個關鍵挑戰是需要同時攜帶燃料和氧化劑。與汽車和飛機不同，汽車和飛機從大氣中獲取氧氣，而隨著海拔的升高，空氣會變得稀薄，使得依靠大氣中的氧氣變得不切實際。雖然一些吸氣式設計（如協同吸氣式火箭發動機，SABER）可以同時作為噴氣發動機和火箭發動機工作，但大多數火箭都需要自行攜帶氧化劑。與氫相比，氧氣的質量較重，在氫氧火箭中，燃燒氫和氧氣時，燃料僅占總質量的約 11%，而氧化劑占 89%。氫的低密度和儲存挑戰往往使其不如煤油（RP-1）受歡迎。煤油是一種碳氫化合物混合物，氫含量約為 15%，燃燒時會產生二氧化碳和水。雖然其效率低於氫氧燃料，但它更易於處理，並且與氧化劑搭配使用時能提供不錯的性能，不過其排氣速度明顯低於純水，更不用說單個原子了。火箭面臨的另一個限制是其所能承受的高溫。氫氧火箭在真空中的排氣速度約為 4400 米 / 秒，而 RP-1 火箭的排氣速度為 3300 米 / 秒，但兩者的廢氣溫度都極高，可達 67000 華氏度（4000 開爾文）。這些速度仍然低於進入近地軌道所需的 7800 米 / 秒（17500 英里 / 小時）。將物體的速度翻倍需要四倍的能量，而攜帶額外的燃料會增加重量，這些重量也需要被加速，從而進一步降低效率。
齊奧爾科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原來的 e² 倍（其中 e 為自然常數，約等於 2.718），這意味著你需要大約 7.39 倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度變為原來的三倍（這需要九倍的動能），你需要 e³ 倍的燃料，約為 20.9 倍。要使速度變為原來的四倍，需要 e⁴倍的燃料，約為 54.6 倍；要使速度變為原來的五倍，需要 e⁵倍的燃料，約為 148 倍。這就是我們所說的 「火箭方程的暴政」。當在有巨大物體（如行星）可藉助施力時，提高速度所需的能量與速度的平方成正比。例如，將速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍，所需的動能分別為原來的 4 倍、9 倍、16 倍、25 倍和 36 倍。然而，對於火箭來說，所需燃料的增長比例是 e²、e³、e⁴等，這意味著速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍時，所需燃料分別為原來的 7 倍、20 倍、55 倍、148 倍和 403 倍。要達到 20 倍的排氣速度，火箭需要的燃料量約為初始燃料量的 500 萬倍，而使用傳統火箭燃料，其速度只能達到 70 至 90 公里 / 秒，即使以這樣的速度，前往半人馬座阿爾法星仍需要 15000 至 19000 年，並且需要消耗不切實際的大量推進劑。化學燃料不適合星際旅行，這就是為什麼我們要探索原子火箭等概念 —— 更多相關內容，請查看關於獵戶座驅動器或美杜莎驅動器的 episodes。不過今天，我們的重點是離開地球，前往離地球相對較近的目的地，如地球同步軌道、月球和火星。
我需要強調的是，質量驅動器是一項遠不如火箭成熟的技術。人類已經花了近一個世紀的時間來完善火箭技術 ——2026 年將是戈達德實驗的 100 周年紀念。而質量驅動器在該領域相對較新。傑拉爾德・K・奧尼爾和他的一些合作者，如亨利・科爾姆、比爾・韋頓、比爾・斯諾和凱文・費恩等人，在 20 世紀 70 年代末的一個實驗室中開發了一些線圈炮原型。用於從航空母艦上發射飛機的直線電機，即電磁飛機彈射系統，於 2009 年進行了原型測試，並於 2015 年安裝在第一艘航空母艦上。因此，火箭具有巨大的先發優勢，但隨著我們對太空探索需求的增長，火箭的替代方案也變得越來越有吸引力。SpaceX 等公司最近的進展刺激了太空經濟的發展，而這一切都是通過火箭實現的，但這種不斷增長的需求最終可能會推動質量驅動器和其他非火箭發射系統的發展。與質量驅動器相比，火箭的前期成本（資本成本）更低，但運營成本更高，因此在太空探索需求有限的情況下，火箭在經濟上更具吸引力。質量驅動器通常被認為是一種資本成本高但運營成本低得多的技術 —— 一旦建成，它們可以頻繁發射有效載荷，且每次發射的成本僅為火箭的一小部分，這使得它們非常適合高吞吐量的運營，例如將數百萬人或數百萬噸貨物送入太空。這不僅僅是能源成本的下降 —— 事實上，燃料在現代火箭的成本中占比並不大。火箭有許多複雜的系統，這些系統必須在接近故障點的狀態下運行，且冗餘度極低，以減輕重量。正是為了實現極高的性能和相對於組件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而質量驅動器是固定的基礎設施，更像是橋樑或隧道，因此可以採用更保守的工程設計。
另一個推動變革的因素是，我們越來越需要尋找替代那些嚴重依賴化石燃料或溫室氣體排放量高的技術。質量驅動器可以由清潔的可再生能源提供動力，如太陽能、核能或水力發電。太陽能在太空環境中尤其具有優勢，例如在月球兩極，太陽能資源豐富且可持續。利用質量驅動器技術，實現太空發射的電氣化具有明確的發展路徑，因為質量驅動器能高效地將電能轉化為動能 —— 而這對於長途航空旅行等領域來說目前還無法實現，因為電池的能量密度還遠不及航空燃料。在地球上，發射過程中溫室氣體排放的減少可能會使質量驅動器成為火箭的一個有吸引力的替代方案，因為我們正在尋求更環保的發射方式。
安全性是質量驅動器的另一個顯著優勢。火箭攜帶大量揮發性推進劑，在發射過程中可能會帶來重大風險。它們過於危險且噪音巨大，無法靠近人類居住區。這就導致了一系列旨在確保公眾安全利益得到持續優先考慮的法規，但發射提供商可能會認為這些法規繁瑣不堪。此外，人們還必須從發射台周圍和下風向區域疏散。而使用質量驅動器發射的太空飛行器不太可能偏離軌道，因為太空飛行器是沿著軌道飛行的，而且它們攜帶的燃料很少，這顯著降低了在人口密集地區發生爆炸事故的風險。
當人們猜測為什麼我們還沒有使用質量驅動器來發射太空飛行器時，他們有時會提出一些擔憂，例如建造長距離真空管道的難度，或者太空飛行器從發射管道到太空邊緣的飛行路徑問題，但針對這些問題，已經提出了合理的解決方案 —— 至少在理論上，這些解決方案並不違反任何物理定律或工程原理。即使質量驅動器發生災難性故障，導致部件從空中墜落，也可以通過安裝降落傘或將其建在遠離人口密集地區的地方來解決，將其建在海洋中也是一個選擇，這樣可以避免諸如土地徵用等其他問題。
讓我們設想一下，質量驅動器由許多電磁鐵組成，每個電磁鐵都配備了一些功率電子設備來控制其開關。假設這個質量驅動器設計用於將太空飛行器以 10 倍重力加速度（約 100 米 / 秒 ²）的恆定加速度從 0 加速到 8000 米 / 秒。將目標速度除以加速度，得到加速到 8000 米 / 秒所需的時間為 80 秒。但在第一秒內，太空飛行器僅飛行 50 米；而在最後一秒內，它將飛行 7950 米。因此，太空飛行器在最後一秒內經過的電磁鐵數量比第一秒內多得多 —— 不僅是更多的電磁鐵，還有更多控制這些電磁鐵開關的功率電子設備。當你計算（或積分）分布在質量驅動器長度上的所有更高功率儲能和功率調節硬體組件的成本時，硬體的總成本大致與質量驅動器出口速度的立方成正比。這仍然比火箭要好，但成本仍然高得令人望而卻步。
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然而，有一些更新的質量驅動器架構，它們對分布在整個質量驅動器長度上的昂貴功率調節硬體的依賴程度較低。其中一種架構是變螺距螺杆發射器——它通過電動機在較長時間內使螺杆旋轉加速，這降低了電能到動能轉換相關的功率需求，然後螺杆的動能以不需要能量轉換和昂貴功率電子設備的方式快速直接傳遞給太空飛行器。要理解其工作原理，可能首先需要了解磁性齒輪的工作原理。磁性齒輪的功能與普通齒輪相同，但它不依賴齒輪齒之間的機械接觸，而是利用設計成相互嚙合的磁場。磁性齒輪就像機械齒輪一樣，只是它在齒輪之間沒有物理接觸的情況下工作。蝸杆齒輪是另一種齒輪，其中一個齒輪是螺旋形的，另一個是普通齒輪。帶移動螺母的絲槓的工作原理有點像蝸杆齒輪，只是它的螺旋齒輪將旋轉運動轉化為直線運動。這些被稱為磁性絲槓驅動直線執行器的設備已經在一些研究實驗室中製造出來。變螺距螺杆發射器是一種磁性絲槓驅動直線執行器，不同之處在於，由於螺杆具有變螺距，當螺杆以恆定速度旋轉時，移動螺母會加速。
通過這種架構，電能會在太空飛行器到達之前的很長一段時間內逐漸轉化為旋轉螺杆（以及螺杆內部的飛輪）的動能。由於這種能量轉換是在數分鐘而不是微秒內完成的，功率較低，因此功率調節硬體的成本也較低。事實上，這種轉換是通過螺杆內部的電動機完成的，就像你在普通量產電動汽車中找到的高效電動機一樣。一旦螺杆加速到全速，它們就會以恆定的轉速繼續旋轉。有一種稱為自適應移動螺母的裝置，它通過磁場與螺杆的螺紋耦合，而無需直接物理接觸。這個組件被螺杆加速，並推動磁懸浮滑板上的太空飛行器沿著質量驅動器的長度前進。變螺距螺杆發射器的螺杆由鋼製成，鋼是一種相對便宜的材料 —— 我們甚至可以想像用石墨烯等材料製造強度更高、能夠允許更高發射速度的螺杆，但要進入近地軌道，我們並不需要這麼高的速度。由於螺杆留在地球（或安裝質量驅動器的任何行星或月球）上，它們不需要按照火箭設計中通常採用的那種極高精度的工程裕度進行設計，因此製造成本相對較低。這有助於使該技術的資本成本處於大型太空計劃的預算範圍內。
這種發射器的一個版本於 2024 年在阿姆斯特丹舉行的電磁發射會議上進行了展示，也在由英國行星學會主辦的 「重塑太空」 會議上進行了展示，並且在電磁發射會議的論文集中有一篇配套論文，討論了該發射器在為期 22 年的火星人類前哨站太空計劃中的應用。該論文提出，該發射器及其發射飛行器將在 10 個火星轉移窗口期內，向火星運送總計 6152 公噸的設備和物資，這大約是一個 20 年的周期。但我認為，這種質量驅動器的一個關鍵特徵是其成本與出口速度的平方成正比，這使其相比早期的質量驅動器架構具有很大優勢 —— 早期架構的成本主要由功率電子設備的成本決定，而功率電子設備的成本與出口速度的立方成正比。
要理解成本與出口速度的平方成正比的重要性，最好在雙對數圖上繪製成本與速度的關係曲線（對於僅收聽音頻的觀眾，該圖已顯示在屏幕上）。由於變螺距螺杆質量驅動器的成本與出口速度的平方成正比，其成本 - 速度曲線是一條直線：如果速度翻倍，成本將變為原來的四倍。這條直線的具體位置取決於你所做的假設，例如發射器在其使用壽命內發射的有效載荷數量。該曲線假設發射器在其使用壽命內僅發射 6152 噸有效載荷 —— 考慮到當它不發射前往火星的物資時，還可以向軌道發射大量其他物資，這一假設可能不太現實。火箭的成本在該圖上表現為一條指數曲線。這兩條曲線在約 9500 米 / 秒的速度增量（Delta V）處相交，這大約是火箭進入近地軌道所需的速度增量。因此，這些曲線表明，對於前往近地軌道的任務，火箭的成本與質量驅動器的成本相當 —— 不過再次強調，如果我們向近地軌道發射更多與火星任務無關的貨物，質量驅動器的成本將會下降。我們只是在展示在更高速度下，質量驅動器相比火箭的成本優勢。但如果我們的目標是將大量有效載荷送往月球或火星，那麼就需要更大的速度增量。在這種情況下，火箭的成本會急劇上升，因為它遵循指數曲線。如果任務需要 12300 米 / 秒的速度增量，那麼質量驅動器的成本將是火箭的 1/10；如果任務需要 15000 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/100；如果任務需要 17800 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/1000；如果任務需要 20000 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/10000。
如果你正在規劃一項火星任務，並且希望該任務有較高的速度增量預算（例如，為了最大限度地減少機組人員暴露在太空輻射中的時間），或者希望該任務有較高的質量預算（例如，為了派遣更多機組人員、攜帶更多備件，並加強棲息地的防護，如使用奧爾德林循環艙，那麼對於純化學火箭架構來說，這些選擇將大幅增加任務成本。然而，如果該架構使用質量驅動器，那麼這些選擇只會使成本小幅增加。
讓我們回到與質量驅動器相關的其他一些挑戰，並討論一些已提出的應對技術。其中一個挑戰是大氣加熱。我曾談到了使用主動結構（如洛夫斯特倫環）將整個發射器支撐在 80 公里的高度，以完全避免大部分氣動阻力問題。我們之前討論過的一項名為 「星軌列車」的技術，提出了一種解決方案：在低層大氣中，將質量驅動器封閉在真空管道內；在高層大氣中，為太空飛行器配備熱防護系統，以避免大氣加熱問題。根據這一概念，整個質量驅動器和大部分真空管道都位於地面，部分位於山側，其餘部分則懸浮在空中。「星軌列車」 概念提出，真空管道的高架部分將通過強大的超導線圈的排斥力來支撐。變螺距螺杆發射器基本上採用了與 「星軌列車」 支持者提出的類似技術：質量驅動器的部分位於地面或漂浮在湖泊或海洋表面（水下，以便船隻和海洋生物能夠不受阻礙地通過）；有一部分是穿過山體的向上彎曲的隧道，太空飛行器在其中轉向天空；還有一段高架真空管道，太空飛行器通過該管道滑行，以避免在大氣層最稠密的部分遇到氣動阻力。
我認為高架真空管道是該架構中最令人難以接受的部分，因此讓我們更仔細地研究一下這個想法。飛機本質上是大型鋁管，能夠在各種不同的高度可靠飛行。它們通常具有正壓，即內部壓力高於外部壓力，以確保乘客的舒適度。然而，客機的機身設計能夠承受一定程度的負壓或超壓 —— 有些設計能夠承受 1 磅 / 平方英寸的超壓，工程係數為 1.33，這相當於海平面大氣壓的約十分之一，也就是說，內部壓力比外部壓力低 1 磅 / 平方英寸。飛機的設計使其能夠在這種壓力下飛行而不會內爆。現在，在高架真空管道的最低點（靠近山頂），外部壓力可能約為 7 磅 / 平方英寸，因此我們應該能夠設計出一種帶肋的鋁管，其強度足以維持真空，且每米長度的重量不超過商用客機空機身的 7 倍。從工程角度來看，高架真空管道因此類似於客機的機身，但外殼稍厚，並配有更多的肋條，以幫助其在負壓下保持圓形形狀 —— 當然，它會比客機機身長得多。在較低的高度，雖然壓力較高，但管道位於地面或漂浮在水面上，因此我們不必過多擔心加固的重量問題 —— 就像潛艇可以被設計成能夠承受足以壓垮我們的超壓一樣。
接下來我們需要解決的問題是如何將高架真空管道懸浮起來。我們談過將質量驅動器的高架真空管道懸掛在系留環上的可能性。然而，針對這個問題，還有一個我們之前未曾討論過的解決方案：用無人機為管道提供航空支撐。從無人機燈光秀中我們可以看到，大型無人機群可以被編程為以極高的精度編隊飛行。專為農作物噴灑或包裹遞送設計的無人機，讓我們對用無人機提升物體的每千克成本有了一個很好的了解。因此，這個想法是：當每個火星發射窗口期到來時（當然還要天氣允許），你指揮數千架無人機起飛，將真空管道抬升到大氣層中。這些無人機可以通過管道上的電線從地面獲取電能，因此它們不需要攜帶太多電池。最棘手的部分可能是位置保持 —— 無人機需要能夠在面對陣風的情況下，將管道保持在太空飛行器預計飛行路徑的中心位置，因為陣風會試圖將管道推離原位。如果你是那種對 SpaceX 提出的塔架捕獲方案持懷疑態度的人，那麼你可能也會對這個方案的這一部分持懷疑態度，但這並不像 SpaceX 最近的超重火箭塔架捕獲或早期太空梭發射那樣，必須一次成功。此外，無人機產業的蓬勃發展可能會為這一方案提供很大的幫助，因為為經濟中的其他用途進行的研究，會讓你有多年的時間來調整無人機硬體及其控制算法，並且你可以在嘗試讓太空飛行器通過真空管道之前，在各種天氣條件下測試該系統。因此，關於我們是否能夠製造出反應足夠迅速的無人機，在應對陣風以及大自然可能拋出的其他任何挑戰的同時，將真空管道保持在太空飛行器軌跡的中心位置，這確實是一個尚未解決的問題，但這可能並不比用一對巨大的 「筷子」 從空中捕獲火箭助推器的想法更瘋狂。如果這個方案行不通，我們還可以使用巨型塔架甚至太空塔但顯然，在我們製造出原型機之前，我們無法確定它是否能正常工作，以及工作效果如何。
與此同時，火箭仍然是太空發射最靈活和最易獲取的選擇。儘管質量驅動器可能提供長期的成本節約，但火箭的初始投資要低得多 —— 建造一枚火箭的成本大大低於建造一個質量驅動器，這使得火箭對於預算較小或發射頻率較低的任務來說更實用。這讓規模較小的公司或國家能夠進入發射市場 —— 這本身就是一個非常 「重量級」 的領域（雙關語）。這種較低的前期成本也允許更多的實驗和定製，因為火箭可以根據特定的有效載荷和任務要求進行調整。在低容量方面（即有效載荷體積較小時），火箭表現出色 —— 它們可以製造為各種尺寸和配置，以處理從小型衛星發射到最昂貴的旗艦星際任務等各種任務。這種適應性使它們適用於各種有效載荷，從精密儀器到載人太空飛行器。此外，SpaceX 等公司開發的先進可重複使用火箭技術正在降低每次發射的成本並提高發射頻率，即使有其他技術出現，也能讓火箭保持競爭力。
儘管人們常常擔心火箭的安全性（由於燃料爆炸的風險），但現代火箭設計正在不斷提高其安全性。在過去的幾十年裡，嚴格的測試、冗餘設計和自動化技術顯著提高了發射安全性。此外，火箭技術已被充分理解並受到廣泛監管，數十年的運營經驗為其安全協議提供了指導。火箭對環境的影響則更為複雜。目前，火箭發射的頻率很低，因此我們可以忽略它們對環境的影響 —— 除了發射設施所在的局部棲息地，發射活動可能會對這些棲息地造成干擾。我們也有能力通過利用可再生能源或核能電解水來製造碳中和的氫燃料，用於火箭。總體而言，火箭提供了一種成熟、適應性強且具有成本效益的進入太空的方式，尤其是隨著新的創新不斷提高其安全性、環境影響和可重複使用性。如前所述，在短期內，我們設想使用小型貨運專用質量驅動器與火箭發射器協同工作，運送人員、敏感貨物或非典型的大型貨物。
總結
質量驅動器非常有前景，為我們提供了一種以現代發射成本的一小部分將大量貨物和大量乘客送入太空的方式，但它仍然需要大量的研發工作；而火箭技術在不斷進步，目前能夠滿足我們的太空飛行需求。不過，隨著時間的推移，我認為向使用質量驅動器的轉變將會發生，我們也將看到它們在月球上的應用 —— 除非我們最終開發出更好的技術。
火箭和質量驅動器都有望將人類送入太空，但哪種方式能讓我們走得更遠、更快、更智能，
且成本更低？
今天，我們不僅要比較兩種發射系統，還要比較兩種太空旅行的基本方式 —— 火箭技術和質量驅動器。我們將探討每種方式的優缺點，因為兩者都有各自鮮明的優勢和劣勢。大多數人已經對火箭相當熟悉，但質量驅動器是一個不太常見的術語，所以首先讓我們簡要介紹一下質量驅動器。質量驅動器的範疇相當廣泛，包括化學動力火炮和軌道炮，但就我們今天的討論而言，我們將重點關注被稱為直線電機的這一類別。這種電磁推進系統旨在沿著一條長軌道將物體或有效載荷加速到高速。它通過電能產生電磁力來推進有效載荷，將其送入軌道或送上不同的軌跡。因此，利用質量驅動器加速的有效載荷不需要消耗機載推進劑，避免了火箭方程的複雜性。這種有效載荷可能是一個貨運艙，我們通常將其想像成一艘太空飛行器，它配備了推力裝置和少量機載燃料供應，以幫助其達到軌道速度並在太空中機動，就像太空梭曾配備軌道機動發動機來實現這一目的，以及之後重新進入大氣層著陸一樣。要用於太空發射，質量驅動器需要具備四個關鍵特性。
第一個特性：低機械摩擦
理想情況下，其有效載荷應沿著軌道滑行，無需直接物理接觸。這使得它能夠實現高重複使用率，而無需因磨損而停機進行翻新。
第二個特性：低大氣摩擦
理想情況下，質量驅動器應在近真空環境中運行，因為在稠密空氣存在的情況下，高速會產生顯著的阻力和熱量。這使得它們非常適合月球等無空氣的天體，但在地球或火星等有大氣層的天體上，質量驅動器要麼必須位於非常高的海拔處，例如火星最高的山 —— 奧林匹斯山山頂；要麼如果無法實現這一點，發射軌道需要封閉在一個真空管道中，直到達到大氣層足夠稀薄的高度，太空飛行器才能繼續向上穿過大氣層進入太空。
第三個特性：加速度與軌道長度相關
出口速度等於加速度與軌道長度乘積的兩倍的平方根，因此出口速度取決於加速度和軌道長度。由於存在平方根關係，要使速度翻倍，你需要將加速度提高到原來的四倍、將軌道長度延長到原來的四倍，或者同時將加速度和軌道長度都提高到原來的兩倍。同樣，要使速度變為原來的三倍，可以同時將兩者都提高到原來的三倍，或者將加速度或軌道長度提高到原來的 9 倍（即 3 的平方）。因此，如果有效載荷能夠承受極高的加速度，質量驅動器可以做得很短；但如果需要溫和地加速有效載荷（例如載人質量驅動器的情況），質量驅動器就需要做得很長。質量驅動器需要在讓有效載荷承受過大加速度與自身過長且可能成本更高之間找到一個可接受的平衡點。
第四個特性：與牛頓第三運動定律相關
作用力與反作用力大小相等、方向相反。火箭通過噴出燃燒後的推進劑來加速，這些燃燒後的推進劑就是火箭的反作用力質量。而質量驅動器通常固定在行星天體上，因此當它加速飛行器時，反作用力質量是整個行星天體的質量。質量驅動器依靠行星的固體質量來產生推力，就像我們走路或跑步時所做的那樣 —— 我們依靠地球的質量來推動自己前進。我們可以（而且很可能會）讓質量驅動器以高加速度運行，尤其是用於貨運艙時；但長距離、低加速度的質量驅動器使我們能夠在需要的情況下實現低加速度，例如對於那些因健康狀況限制而無法承受高加速度的太空遊客，或者對加速度敏感的貨物。火箭的飛行過程也較為顛簸，而質量驅動器的運行通常比火箭更平穩、更穩定。如果質量驅動器以 4 倍重力加速度（4G）運行，那麼到達低軌道速度的行程僅需 199 秒，即略超過 3 分鐘，軌道長度為 482 英里（775 公里）；以 9 倍重力加速度（9G）運行時，到達低軌道速度的行程將持續 88 秒，軌道長度為 214 英里（345 公里）。這個 9G 的限制大約是大多數人能夠承受的最大值，而且即使如此，也只有身體健康的人才能在短時間內承受。然而，加速度更高、軌道更短的質量驅動器可用於將貨物或其他物資送入太空。大量貨物可以承受 100G 甚至 400G 的加速度，相應的發射持續時間分別約為 8 秒和 2 秒，軌道長度分別為 19 英里（31 公里）和 5 英里（8 公里）。不過，在地球上，你很難找到基於 400G 加速度設計的質量驅動器，因為所需的軌道長度太短，無法有效穿越大氣層。但在月球上，由於沒有大氣層的阻礙，一個 400G 的質量驅動器僅需約 360 米（1181 英尺），即四分之一英里長的軌道，就能以 1680 米 / 秒的速度將有效載荷送入月球軌道，這大約是地球軌道速度的五分之一。同樣，在火星上沿著奧林匹斯山一側建造的軌道也是可行的。質量驅動器在月球相關概念中尤其受歡迎，可用於將月球上的燃料、散裝金屬或開採的岩石送入太空。其工程挑戰更容易應對，還能避免與發射台和月塵相關的問題。質量驅動器也適用於小行星，採礦者可以利用它們將物資送回地球。它們還可以在行星之外使用，將太空飛行器加速到星際速度，甚至為其減速 —— 不過後者是一個相當複雜的話題，我們今天暫不深入探討。稍後，我們還將進一步探討其工程設計和經濟性。
現在，讓我們把焦點轉向火箭。火箭技術的基本原理是動量守恆。動量等於質量乘以速度，因此如果將物體的速度翻倍，其動量也會翻倍。由於動量必須守恆，任何動量的增加都會被其他地方大小相等、方向相反的動量變化所抵消。當你蹬地跳躍時，你實際上會給地球一個相反方向的相同動量；然而，由於地球的質量大約是人類的 1000 億萬億倍，它獲得的速度只是我們的極小一部分。在太空真空中，沒有可藉助的施力物體，因此火箭通過從尾部噴出物質來推進自身。這種推進劑可以是任何物質，但在化學火箭中，它通常是燃料燃燒後的廢氣。推進劑從火箭尾部噴出的速度被稱為排氣速度。一般來說，廢氣溫度越高，其分子運動速度就越快；在相同溫度下，分子質量越輕，運動速度也越快。例如，一些火箭使用氫氣和氧氣作為燃料，氧原子的質量是氫原子的 16 倍（氫原子的質量約為 1 原子質量單位，1 原子質量單位約等於一個質子或中子的質量）。在相同溫度下，單個氫原子的運動速度是氧原子的 4 倍，因為 16 的平方根是 4。雖然由於溫度帶來的高速度，原子氫本可以成為一種極佳的推進劑，但大多數火箭的廢氣粒子質量更重。例如，在氫氧火箭中，廢氣主要是水（18 原子質量單位）；而在使用煤油（RP-1）等碳氫燃料的火箭中，廢氣包括水和二氧化碳（44 原子質量單位）。在相同溫度下，這些質量更重的分子的運動速度明顯慢於單個氫原子。它們是燃燒過程的產物，為火箭推進提供能量；而單個原子或小分子則需要通過核燈泡或微波束等方式加熱，這些都是我們在其他地方討論過的話題，如果你感興趣可以進一步了解。如前所述，在相同溫度下，分子質量越大，運動速度越慢。因此，當二氧化碳分子以 1000 米 / 秒的速度運動時，水分子的運動速度為 1563 米 / 秒，而單個氫原子的運動速度則高達 6633 米 / 秒。如果我們設想一種驅動裝置，它只是一個大型微波裝置，將推進劑加熱到燃燒室在不熔化的情況下所能達到的最高溫度，並且其能量來自瞄準它的微波束，那麼我們顯然會選擇氫作為推進劑。我們也可以通過離子驅動器中的雷射來實現這一點 —— 離子驅動器利用電磁力將離子作為推進劑噴出，其原理類似於一個小型質量驅動器。燃料和氧化劑通常與太陽能或核能等能源一起攜帶，而離子則作為推進劑。這一點非常有用，因為在這裡以及在大多數核驅動裝置等非燃燒驅動裝置中，你的廢氣或推進劑可以是高溫且高速的氫，而不是質量更重的燃燒產物（通常是水和二氧化碳，與燃氣汽車的廢氣成分相同）。
火箭面臨的一個關鍵挑戰是需要同時攜帶燃料和氧化劑。與汽車和飛機不同，汽車和飛機從大氣中獲取氧氣，而隨著海拔的升高，空氣會變得稀薄，使得依靠大氣中的氧氣變得不切實際。雖然一些吸氣式設計（如協同吸氣式火箭發動機，SABER）可以同時作為噴氣發動機和火箭發動機工作，但大多數火箭都需要自行攜帶氧化劑。與氫相比，氧氣的質量較重，在氫氧火箭中，燃燒氫和氧氣時，燃料僅占總質量的約 11%，而氧化劑占 89%。氫的低密度和儲存挑戰往往使其不如煤油（RP-1）受歡迎。煤油是一種碳氫化合物混合物，氫含量約為 15%，燃燒時會產生二氧化碳和水。雖然其效率低於氫氧燃料，但它更易於處理，並且與氧化劑搭配使用時能提供不錯的性能，不過其排氣速度明顯低於純水，更不用說單個原子了。火箭面臨的另一個限制是其所能承受的高溫。氫氧火箭在真空中的排氣速度約為 4400 米 / 秒，而 RP-1 火箭的排氣速度為 3300 米 / 秒，但兩者的廢氣溫度都極高，可達 67000 華氏度（4000 開爾文）。這些速度仍然低於進入近地軌道所需的 7800 米 / 秒（17500 英里 / 小時）。將物體的速度翻倍需要四倍的能量，而攜帶額外的燃料會增加重量，這些重量也需要被加速，從而進一步降低效率。
齊奧爾科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原來的 e² 倍（其中 e 為自然常數，約等於 2.718），這意味著你需要大約 7.39 倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度變為原來的三倍（這需要九倍的動能），你需要 e³ 倍的燃料，約為 20.9 倍。要使速度變為原來的四倍，需要 e⁴倍的燃料，約為 54.6 倍；要使速度變為原來的五倍，需要 e⁵倍的燃料，約為 148 倍。這就是我們所說的 「火箭方程的暴政」。當在有巨大物體（如行星）可藉助施力時，提高速度所需的能量與速度的平方成正比。例如，將速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍，所需的動能分別為原來的 4 倍、9 倍、16 倍、25 倍和 36 倍。然而，對於火箭來說，所需燃料的增長比例是 e²、e³、e⁴等，這意味著速度提高 2 倍、3 倍、4 倍、5 倍或 6 倍時，所需燃料分別為原來的 7 倍、20 倍、55 倍、148 倍和 403 倍。要達到 20 倍的排氣速度，火箭需要的燃料量約為初始燃料量的 500 萬倍，而使用傳統火箭燃料，其速度只能達到 70 至 90 公里 / 秒，即使以這樣的速度，前往半人馬座阿爾法星仍需要 15000 至 19000 年，並且需要消耗不切實際的大量推進劑。化學燃料不適合星際旅行，這就是為什麼我們要探索原子火箭等概念 —— 更多相關內容，請查看關於獵戶座驅動器或美杜莎驅動器的 episodes。不過今天，我們的重點是離開地球，前往離地球相對較近的目的地，如地球同步軌道、月球和火星。
我需要強調的是，質量驅動器是一項遠不如火箭成熟的技術。人類已經花了近一個世紀的時間來完善火箭技術 ——2026 年將是戈達德實驗的 100 周年紀念。而質量驅動器在該領域相對較新。傑拉爾德・K・奧尼爾和他的一些合作者，如亨利・科爾姆、比爾・韋頓、比爾・斯諾和凱文・費恩等人，在 20 世紀 70 年代末的一個實驗室中開發了一些線圈炮原型。用於從航空母艦上發射飛機的直線電機，即電磁飛機彈射系統，於 2009 年進行了原型測試，並於 2015 年安裝在第一艘航空母艦上。因此，火箭具有巨大的先發優勢，但隨著我們對太空探索需求的增長，火箭的替代方案也變得越來越有吸引力。SpaceX 等公司最近的進展刺激了太空經濟的發展，而這一切都是通過火箭實現的，但這種不斷增長的需求最終可能會推動質量驅動器和其他非火箭發射系統的發展。與質量驅動器相比，火箭的前期成本（資本成本）更低，但運營成本更高，因此在太空探索需求有限的情況下，火箭在經濟上更具吸引力。質量驅動器通常被認為是一種資本成本高但運營成本低得多的技術 —— 一旦建成，它們可以頻繁發射有效載荷，且每次發射的成本僅為火箭的一小部分，這使得它們非常適合高吞吐量的運營，例如將數百萬人或數百萬噸貨物送入太空。這不僅僅是能源成本的下降 —— 事實上，燃料在現代火箭的成本中占比並不大。火箭有許多複雜的系統，這些系統必須在接近故障點的狀態下運行，且冗餘度極低，以減輕重量。正是為了實現極高的性能和相對於組件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而質量驅動器是固定的基礎設施，更像是橋樑或隧道，因此可以採用更保守的工程設計。
另一個推動變革的因素是，我們越來越需要尋找替代那些嚴重依賴化石燃料或溫室氣體排放量高的技術。質量驅動器可以由清潔的可再生能源提供動力，如太陽能、核能或水力發電。太陽能在太空環境中尤其具有優勢，例如在月球兩極，太陽能資源豐富且可持續。利用質量驅動器技術，實現太空發射的電氣化具有明確的發展路徑，因為質量驅動器能高效地將電能轉化為動能 —— 而這對於長途航空旅行等領域來說目前還無法實現，因為電池的能量密度還遠不及航空燃料。在地球上，發射過程中溫室氣體排放的減少可能會使質量驅動器成為火箭的一個有吸引力的替代方案，因為我們正在尋求更環保的發射方式。
安全性是質量驅動器的另一個顯著優勢。火箭攜帶大量揮發性推進劑，在發射過程中可能會帶來重大風險。它們過於危險且噪音巨大，無法靠近人類居住區。這就導致了一系列旨在確保公眾安全利益得到持續優先考慮的法規，但發射提供商可能會認為這些法規繁瑣不堪。此外，人們還必須從發射台周圍和下風向區域疏散。而使用質量驅動器發射的太空飛行器不太可能偏離軌道，因為太空飛行器是沿著軌道飛行的，而且它們攜帶的燃料很少，這顯著降低了在人口密集地區發生爆炸事故的風險。
當人們猜測為什麼我們還沒有使用質量驅動器來發射太空飛行器時，他們有時會提出一些擔憂，例如建造長距離真空管道的難度，或者太空飛行器從發射管道到太空邊緣的飛行路徑問題，但針對這些問題，已經提出了合理的解決方案 —— 至少在理論上，這些解決方案並不違反任何物理定律或工程原理。即使質量驅動器發生災難性故障，導致部件從空中墜落，也可以通過安裝降落傘或將其建在遠離人口密集地區的地方來解決，將其建在海洋中也是一個選擇，這樣可以避免諸如土地徵用等其他問題。
讓我們設想一下，質量驅動器由許多電磁鐵組成，每個電磁鐵都配備了一些功率電子設備來控制其開關。假設這個質量驅動器設計用於將太空飛行器以 10 倍重力加速度（約 100 米 / 秒 ²）的恆定加速度從 0 加速到 8000 米 / 秒。將目標速度除以加速度，得到加速到 8000 米 / 秒所需的時間為 80 秒。但在第一秒內，太空飛行器僅飛行 50 米；而在最後一秒內，它將飛行 7950 米。因此，太空飛行器在最後一秒內經過的電磁鐵數量比第一秒內多得多 —— 不僅是更多的電磁鐵，還有更多控制這些電磁鐵開關的功率電子設備。當你計算（或積分）分布在質量驅動器長度上的所有更高功率儲能和功率調節硬體組件的成本時，硬體的總成本大致與質量驅動器出口速度的立方成正比。這仍然比火箭要好，但成本仍然高得令人望而卻步。
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然而，有一些更新的質量驅動器架構，它們對分布在整個質量驅動器長度上的昂貴功率調節硬體的依賴程度較低。其中一種架構是變螺距螺杆發射器——它通過電動機在較長時間內使螺杆旋轉加速，這降低了電能到動能轉換相關的功率需求，然後螺杆的動能以不需要能量轉換和昂貴功率電子設備的方式快速直接傳遞給太空飛行器。要理解其工作原理，可能首先需要了解磁性齒輪的工作原理。磁性齒輪的功能與普通齒輪相同，但它不依賴齒輪齒之間的機械接觸，而是利用設計成相互嚙合的磁場。磁性齒輪就像機械齒輪一樣，只是它在齒輪之間沒有物理接觸的情況下工作。蝸杆齒輪是另一種齒輪，其中一個齒輪是螺旋形的，另一個是普通齒輪。帶移動螺母的絲槓的工作原理有點像蝸杆齒輪，只是它的螺旋齒輪將旋轉運動轉化為直線運動。這些被稱為磁性絲槓驅動直線執行器的設備已經在一些研究實驗室中製造出來。變螺距螺杆發射器是一種磁性絲槓驅動直線執行器，不同之處在於，由於螺杆具有變螺距，當螺杆以恆定速度旋轉時，移動螺母會加速。
通過這種架構，電能會在太空飛行器到達之前的很長一段時間內逐漸轉化為旋轉螺杆（以及螺杆內部的飛輪）的動能。由於這種能量轉換是在數分鐘而不是微秒內完成的，功率較低，因此功率調節硬體的成本也較低。事實上，這種轉換是通過螺杆內部的電動機完成的，就像你在普通量產電動汽車中找到的高效電動機一樣。一旦螺杆加速到全速，它們就會以恆定的轉速繼續旋轉。有一種稱為自適應移動螺母的裝置，它通過磁場與螺杆的螺紋耦合，而無需直接物理接觸。這個組件被螺杆加速，並推動磁懸浮滑板上的太空飛行器沿著質量驅動器的長度前進。變螺距螺杆發射器的螺杆由鋼製成，鋼是一種相對便宜的材料 —— 我們甚至可以想像用石墨烯等材料製造強度更高、能夠允許更高發射速度的螺杆，但要進入近地軌道，我們並不需要這麼高的速度。由於螺杆留在地球（或安裝質量驅動器的任何行星或月球）上，它們不需要按照火箭設計中通常採用的那種極高精度的工程裕度進行設計，因此製造成本相對較低。這有助於使該技術的資本成本處於大型太空計劃的預算範圍內。
這種發射器的一個版本於 2024 年在阿姆斯特丹舉行的電磁發射會議上進行了展示，也在由英國行星學會主辦的 「重塑太空」 會議上進行了展示，並且在電磁發射會議的論文集中有一篇配套論文，討論了該發射器在為期 22 年的火星人類前哨站太空計劃中的應用。該論文提出，該發射器及其發射飛行器將在 10 個火星轉移窗口期內，向火星運送總計 6152 公噸的設備和物資，這大約是一個 20 年的周期。但我認為，這種質量驅動器的一個關鍵特徵是其成本與出口速度的平方成正比，這使其相比早期的質量驅動器架構具有很大優勢 —— 早期架構的成本主要由功率電子設備的成本決定，而功率電子設備的成本與出口速度的立方成正比。
要理解成本與出口速度的平方成正比的重要性，最好在雙對數圖上繪製成本與速度的關係曲線（對於僅收聽音頻的觀眾，該圖已顯示在屏幕上）。由於變螺距螺杆質量驅動器的成本與出口速度的平方成正比，其成本 - 速度曲線是一條直線：如果速度翻倍，成本將變為原來的四倍。這條直線的具體位置取決於你所做的假設，例如發射器在其使用壽命內發射的有效載荷數量。該曲線假設發射器在其使用壽命內僅發射 6152 噸有效載荷 —— 考慮到當它不發射前往火星的物資時，還可以向軌道發射大量其他物資，這一假設可能不太現實。火箭的成本在該圖上表現為一條指數曲線。這兩條曲線在約 9500 米 / 秒的速度增量（Delta V）處相交，這大約是火箭進入近地軌道所需的速度增量。因此，這些曲線表明，對於前往近地軌道的任務，火箭的成本與質量驅動器的成本相當 —— 不過再次強調，如果我們向近地軌道發射更多與火星任務無關的貨物，質量驅動器的成本將會下降。我們只是在展示在更高速度下，質量驅動器相比火箭的成本優勢。但如果我們的目標是將大量有效載荷送往月球或火星，那麼就需要更大的速度增量。在這種情況下，火箭的成本會急劇上升，因為它遵循指數曲線。如果任務需要 12300 米 / 秒的速度增量，那麼質量驅動器的成本將是火箭的 1/10；如果任務需要 15000 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/100；如果任務需要 17800 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/1000；如果任務需要 20000 米 / 秒的速度增量，質量驅動器的成本將是火箭的 1/10000。
如果你正在規劃一項火星任務，並且希望該任務有較高的速度增量預算（例如，為了最大限度地減少機組人員暴露在太空輻射中的時間），或者希望該任務有較高的質量預算（例如，為了派遣更多機組人員、攜帶更多備件，並加強棲息地的防護，如使用奧爾德林循環艙，那麼對於純化學火箭架構來說，這些選擇將大幅增加任務成本。然而，如果該架構使用質量驅動器，那麼這些選擇只會使成本小幅增加。
讓我們回到與質量驅動器相關的其他一些挑戰，並討論一些已提出的應對技術。其中一個挑戰是大氣加熱。我曾談到了使用主動結構（如洛夫斯特倫環）將整個發射器支撐在 80 公里的高度，以完全避免大部分氣動阻力問題。我們之前討論過的一項名為 「星軌列車」的技術，提出了一種解決方案：在低層大氣中，將質量驅動器封閉在真空管道內；在高層大氣中，為太空飛行器配備熱防護系統，以避免大氣加熱問題。根據這一概念，整個質量驅動器和大部分真空管道都位於地面，部分位於山側，其餘部分則懸浮在空中。「星軌列車」 概念提出，真空管道的高架部分將通過強大的超導線圈的排斥力來支撐。變螺距螺杆發射器基本上採用了與 「星軌列車」 支持者提出的類似技術：質量驅動器的部分位於地面或漂浮在湖泊或海洋表面（水下，以便船隻和海洋生物能夠不受阻礙地通過）；有一部分是穿過山體的向上彎曲的隧道，太空飛行器在其中轉向天空；還有一段高架真空管道，太空飛行器通過該管道滑行，以避免在大氣層最稠密的部分遇到氣動阻力。
我認為高架真空管道是該架構中最令人難以接受的部分，因此讓我們更仔細地研究一下這個想法。飛機本質上是大型鋁管，能夠在各種不同的高度可靠飛行。它們通常具有正壓，即內部壓力高於外部壓力，以確保乘客的舒適度。然而，客機的機身設計能夠承受一定程度的負壓或超壓 —— 有些設計能夠承受 1 磅 / 平方英寸的超壓，工程係數為 1.33，這相當於海平面大氣壓的約十分之一，也就是說，內部壓力比外部壓力低 1 磅 / 平方英寸。飛機的設計使其能夠在這種壓力下飛行而不會內爆。現在，在高架真空管道的最低點（靠近山頂），外部壓力可能約為 7 磅 / 平方英寸，因此我們應該能夠設計出一種帶肋的鋁管，其強度足以維持真空，且每米長度的重量不超過商用客機空機身的 7 倍。從工程角度來看，高架真空管道因此類似於客機的機身，但外殼稍厚，並配有更多的肋條，以幫助其在負壓下保持圓形形狀 —— 當然，它會比客機機身長得多。在較低的高度，雖然壓力較高，但管道位於地面或漂浮在水面上，因此我們不必過多擔心加固的重量問題 —— 就像潛艇可以被設計成能夠承受足以壓垮我們的超壓一樣。
接下來我們需要解決的問題是如何將高架真空管道懸浮起來。我們談過將質量驅動器的高架真空管道懸掛在系留環上的可能性。然而，針對這個問題，還有一個我們之前未曾討論過的解決方案：用無人機為管道提供航空支撐。從無人機燈光秀中我們可以看到，大型無人機群可以被編程為以極高的精度編隊飛行。專為農作物噴灑或包裹遞送設計的無人機，讓我們對用無人機提升物體的每千克成本有了一個很好的了解。因此，這個想法是：當每個火星發射窗口期到來時（當然還要天氣允許），你指揮數千架無人機起飛，將真空管道抬升到大氣層中。這些無人機可以通過管道上的電線從地面獲取電能，因此它們不需要攜帶太多電池。最棘手的部分可能是位置保持 —— 無人機需要能夠在面對陣風的情況下，將管道保持在太空飛行器預計飛行路徑的中心位置，因為陣風會試圖將管道推離原位。如果你是那種對 SpaceX 提出的塔架捕獲方案持懷疑態度的人，那麼你可能也會對這個方案的這一部分持懷疑態度，但這並不像 SpaceX 最近的超重火箭塔架捕獲或早期太空梭發射那樣，必須一次成功。此外，無人機產業的蓬勃發展可能會為這一方案提供很大的幫助，因為為經濟中的其他用途進行的研究，會讓你有多年的時間來調整無人機硬體及其控制算法，並且你可以在嘗試讓太空飛行器通過真空管道之前，在各種天氣條件下測試該系統。因此，關於我們是否能夠製造出反應足夠迅速的無人機，在應對陣風以及大自然可能拋出的其他任何挑戰的同時，將真空管道保持在太空飛行器軌跡的中心位置，這確實是一個尚未解決的問題，但這可能並不比用一對巨大的 「筷子」 從空中捕獲火箭助推器的想法更瘋狂。如果這個方案行不通，我們還可以使用巨型塔架甚至太空塔但顯然，在我們製造出原型機之前，我們無法確定它是否能正常工作，以及工作效果如何。
與此同時，火箭仍然是太空發射最靈活和最易獲取的選擇。儘管質量驅動器可能提供長期的成本節約，但火箭的初始投資要低得多 —— 建造一枚火箭的成本大大低於建造一個質量驅動器，這使得火箭對於預算較小或發射頻率較低的任務來說更實用。這讓規模較小的公司或國家能夠進入發射市場 —— 這本身就是一個非常 「重量級」 的領域（雙關語）。這種較低的前期成本也允許更多的實驗和定製，因為火箭可以根據特定的有效載荷和任務要求進行調整。在低容量方面（即有效載荷體積較小時），火箭表現出色 —— 它們可以製造為各種尺寸和配置，以處理從小型衛星發射到最昂貴的旗艦星際任務等各種任務。這種適應性使它們適用於各種有效載荷，從精密儀器到載人太空飛行器。此外，SpaceX 等公司開發的先進可重複使用火箭技術正在降低每次發射的成本並提高發射頻率，即使有其他技術出現，也能讓火箭保持競爭力。
儘管人們常常擔心火箭的安全性（由於燃料爆炸的風險），但現代火箭設計正在不斷提高其安全性。在過去的幾十年裡，嚴格的測試、冗餘設計和自動化技術顯著提高了發射安全性。此外，火箭技術已被充分理解並受到廣泛監管，數十年的運營經驗為其安全協議提供了指導。火箭對環境的影響則更為複雜。目前，火箭發射的頻率很低，因此我們可以忽略它們對環境的影響 —— 除了發射設施所在的局部棲息地，發射活動可能會對這些棲息地造成干擾。我們也有能力通過利用可再生能源或核能電解水來製造碳中和的氫燃料，用於火箭。總體而言，火箭提供了一種成熟、適應性強且具有成本效益的進入太空的方式，尤其是隨著新的創新不斷提高其安全性、環境影響和可重複使用性。如前所述，在短期內，我們設想使用小型貨運專用質量驅動器與火箭發射器協同工作，運送人員、敏感貨物或非典型的大型貨物。
總結
質量驅動器非常有前景，為我們提供了一種以現代發射成本的一小部分將大量貨物和大量乘客送入太空的方式，但它仍然需要大量的研發工作；而火箭技術在不斷進步，目前能夠滿足我們的太空飛行需求。不過，隨著時間的推移，我認為向使用質量驅動器的轉變將會發生，我們也將看到它們在月球上的應用 —— 除非我們最終開發出更好的技術。