第261章 火箭回收
李水旺新一期視頻：
所以今天的主題是可重複使用火箭—— 一項正在大幅降低發射成本的新興技術。我們還會討論我們使用的一些燃料，包括金屬氫—— 一種可能性能大幅提升的新型燃料。金屬氫最近備受關注，也像往常一樣被大肆炒作，但它對火箭和太空飛行而言，確實有成為顛覆性技術的真正潛力。所以我決定在今天的討論中加入它。
一次常規的火箭發射要花費數億美元。事實上，我們估算，太空梭項目如果把全生命周期成本都算上，再除以總發射次數，平均每次發射約 15 億美元。太空梭通常能運送不到 3 萬千克的貨物和人員載荷。如果用這個數值去除 15 億美元，我們會得到每千克約 5 萬美元的發射成本。
我們常說，將載荷送入太空的主要成本是燃料，但事實並非完全如此。燃料的原始成本雖然很高，但通常不到發射成本的 1%，真正昂貴的是火箭本身。發射一枚火箭可能要消耗 10 萬加侖液氫，但這只需要幾十萬美元，而不是幾億美元。假設一次發射的燃料成本為 300 萬美元，那麼每千克成本也只有約 100 美元，和我們在這個系列中了解過的一些更優系統差不多。
火箭的問題確實和燃料有關，但不是燃料本身的稀有成本，而是與攜帶燃料、燃燒燃料、提升速度相關的所有成本。一枚常規火箭助推器可能要花費 1 億美元，而實際燃料可能只值 100 萬美元。不用說，如果我們能重複使用那枚火箭，加滿新燃料，成本會大幅下降。
這麼一個簡單又顯而易見的省錢辦法，人們本該立刻就付諸實施。這正是太空梭項目背後的理念，它的大部分部件都是可重複使用的。我們稍後會以它為例，但在此之前，我想強調火箭所承受的力和壓力有多麼驚人，並把它和汽車做個對比。
假設汽油在你的車輛使用周期內平均每加侖 2.5 美元，你花 2.5 萬美元買了這輛車，油耗是每加侖 30 英里，也就是每升約 50 公里。我們還假設你把車開到 30 萬英里（約 50 萬公里）才報廢，另外花了 2.5 萬美元用於保養，貸款的保險和利息又花了 2.5 萬美元。
大多數人往往認為車輛的主要使用成本是燃料，但按照這個裡程和油價，車報廢前你會用掉 1 萬加侖燃料，總共花 2.5 萬美元。順便說一句，這些燃料的質量是 2.8 萬千克，大約是車重的 20 倍，這個比例和大多數火箭的燃料與所發射載荷的質量比相當接近。
基於這些數字，你總共花 10 萬美元開了 30 萬英里，平均每英里 33 美分，每公里 20 美分，其中只有四分之一是燃料成本。汽車算是我們擁有的可重複使用性最高的機械之一，即便如此，燃料成本也只占總成本的四分之一。
火箭也是一種消耗數千加侖燃料的設備，但它只在幾分鐘內就燒完，而且必須做得超輕以減少燃料消耗，同時還要能承受如此快速燃燒燃料帶來的應力，還要以驚人的速度飛行。
我們來看看太空梭的外燃料箱 —— 它是太空梭唯一不可重複使用的部分。它有著泡沫隔熱層那種標誌性的鏽橙色，非常好認。我們過去把它漆成白色以反射光線，但很快就決定沒必要這麼做，去掉油漆能省下不少重量。那層油漆重近 300 千克，而且它並不是特別厚重的油漆，只是這個燃料箱實在太大了。把它側著放在美式橄欖球場上，能占掉大約一半的場地。
要知道，這個燃料箱空重約是油漆重量的 100 倍，加滿燃料後約是油漆重量的 2000 倍。這能讓你明白，火箭上每一克重量都多麼寶貴。
我們討論讓火箭可重複使用時，顯而易見的思路是給火箭增加堅固結構，但這會引發一個惡性的燃料質量比循環，我們稍後會講到。
這個燃料箱裡裝的是液氫和液氧的混合物，需要保存在極低溫度下，極地冰層都會為之顫抖，我們會把它們點燃 —— 有趣的是，燃燒產物是水蒸氣 —— 同時以讓噴氣式飛機看起來像烏龜的速度衝破大氣層。
想像一下，你打開引擎蓋，放掉冷卻液和機油，然後掛空擋讓引擎空轉直到沒油。想想這會給引擎帶來多大的應力，請務必只是想像，不要真的這麼做，因為至少幾分鐘內你就會毀掉引擎。
我們使用的火箭部件正承受著這類應力，這就是為什麼我們不能直接把火箭撿起來重新加油 —— 這很可惜，因為按現在的幣值計算，太空梭的外燃料箱造價約 1 億美元，而加滿燃料還不到 100 萬美元。
這個外燃料箱不可重複使用還有另一個原因：燃料耗盡時我們就會把它拋掉，此時火箭已經進入太空，速度極快，所以它會重新墜入大氣層，在再入過程中碎裂，通常會墜入印度洋。
太空梭上另外兩枚火箭 —— 固體火箭助推器（SRB），通常在飛行約 2 分鐘、高度約 45 千米時分離，墜落在大西洋中，我們會回收它們，維修翻新後再次使用。這聽起來很棒，但算上為回收而建造、打撈、維修的所有成本，雖然沒人能給出精確數字，但普遍共識是，這麼做的成本幾乎和買新的一樣高。我見過很多人認為，這不僅沒省多少錢，反而花得更多。
很難確切說清，因為政府的會計工作雖然總是非常精準細緻，卻往往比真正的火箭科學還要複雜。我有時懷疑，NASA 的會計部門人員和電腦比任務控制中心還要多。
不過我認為，回收這些助推器是正確的做法，即便節省的成本微乎其微，因為這讓我們有機會研究基本完好的部件，看看發射過程中系統承受的應力和出現的故障情況，很多改進也確實由此而來。
但理想的情況是，火箭能輕鬆回收，經過快速檢查、更換幾個零件後就能幾乎立刻重新加油，就像我們對飛機做的那樣，讓維修翻新成本不超過燃料成本。太空梭的固體火箭助推器顯然不是這樣，我們現在看到的可重複使用火箭也不是。
儘管我們能看到它們降回發射台，但大多數這類設計仍然是多級火箭，只有第一級助推器能被回收。即便做到這一點也非常困難，而且和太空梭的固體助推器一樣，這一級通常是在還未承受完全再入應力的高度和速度下分離的。
需要說明的是，它是一枚兩級火箭，只有第一級能被回收，因此並非完全可重複使用。我們還要注意，每次發射標價 6000 萬美元，其中幾乎沒有成本來自燃料，它將 1 千克載荷送入近地軌道的成本略高於 1000 美元，遠比太空梭估計的每千克 5 萬美元划算，便宜了近 50 倍。
但這和真正可重複使用系統應有的節省幅度相去甚遠 —— 在真正可重複使用的系統里，燃料應該是主要成本，至少占很大一部分。事實上，相比太空梭，這些成本節省大多來自可重複使用之外的其他改進，比如一開始就造得更便宜、更好。
那麼，什麼能讓火箭更便宜？火箭本身昂貴的原因其實還是燃料，因為從重量上來說它很昂貴。你必須攜帶所有燃料和氧化劑，容納它們的結構必須非常堅固，這通常意味著很重。
我們使用多級火箭的原因之一，就是可以拋掉空燃料箱，不用燃燒更多燃料帶著它們飛行。人們會好奇，為什麼我們不用很多小燃料箱，用完一個再用下一個，但這會帶來兩方面成本：金錢成本和質量成本，兩者都直接撞上了平方立方定律。
幾何學告訴我們，如果把一個物體的寬度加倍，表面積通常會增加 2 的平方，也就是 4 倍，而體積會增加 2 的立方，也就是 8 倍。如果我的燃料箱需要 1 厘米厚才能承受應力，那麼把尺寸加倍後，燃料容量變成 8 倍，而燃料箱重量只增加 4 倍。
舉個例子，如果我能用一個大燃料箱，空重 4 萬千克，能裝 88 萬加侖燃料；把它縮小後，小燃料箱重 1 萬千克，裝 10 萬加侖燃料。這就是平方立方定律。但要給火箭裝 88 萬加侖燃料，我就需要 8 個小燃料箱，總重 8 萬千克，而大燃料箱裝同樣多燃料，只重 4 萬千克。
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後面幾個燃料箱空了之後拋掉，能省一點燃料，但前半段帶著額外燃料箱重量會損失更多。
你可能會好奇，既然燃料便宜，很多問題都來自燃料箱重量，為什麼我們不造更大的火箭？這個方案有人考慮過，其中一個成果就是名為海神龍的火箭設計 —— 一枚長達 150 米、寬 23 米的巨型火箭，寬度和高度都是太空梭外燃料箱的 3 倍，重量接近 30 倍，能將超過 500 噸載荷送入軌道。
這個設計有很多可說的地方，它常被稱作 「大型簡易助推器」，因為在燃料箱方面，它確實能降低製造成本。這個設計打算只用普通鋼材，接近僅以燃料為主要成本時能實現的每千克數百美元入軌成本。
海神龍是個非常龐大的設計，可惜從未建成。但顧名思義，它從海上發射，可由拖船牽引豎起準備發射。海上發射還有不少優勢：一是可以拖到赤道附近 —— 赤道大部分區域是海洋而非陸地 —— 充分利用地球自轉進入軌道。
海神龍的精神繼承者是 Ripple Aerospace 公司的海蛇設計。SS1 是縮小版，能將數噸載荷送入近地軌道；SS2 是重型可重複使用運載火箭，運力約為 SS1 的 10 倍，有望證明海上發射的可行性，最終讓海神龍設計以現代化版本重生。
海上發射還有個好處：你想發射多大的火箭都可以。發射過程會產生巨大的推力和隨之而來的震動，我們通常會在火箭下方噴射大量水來減震，避免設備受損。不用說，海上發射就不存在這個問題。
而且雖然不是技術優勢，在國際水域發射也不需要辦理極其繁瑣昂貴的文書和許可。理想情況下，你還能利用現有造船廠製造大部分部件，它們已經非常擅長建造更大、精度和質量控制要求相似的設備 —— 潛艇和石油鑽井平台的建造難度不亞於火箭或浮動發射台。
海洋除了支持赤道發射之外，還有個優點：如果你打算用液氫和液氧作燃料，你腳下就有大量這兩種物質，可以通過電解現場製造燃料 —— 先不考慮實際操作問題。
我個人很喜歡這樣的設想：一個巨大的浮動火箭基地，布滿太陽能板，電解製造所需的全部燃料，還能移動位置躲避惡劣天氣 —— 天氣會導致很多發射取消，大幅增加總發射成本。
如前所述，海神龍的很大一部分優勢在於，僅憑尺寸就大幅降低了火箭製造成本，因為平方立方定律降低了每千克入軌載荷的有效火箭成本。燃料箱更大、壁厚相同、隔熱層相同，每加侖燃料對應的燃料箱重量更小。在這方面，越大越好，不過當載荷達到 1000 噸左右時，就會接近理論上限。
我一位業內朋友說，即便考慮使用石墨烯 —— 我們常說用於太空電梯或天鉤的超強材料 —— 也只能把載荷推到約 2000 噸（注意是載荷，不是火箭）。
做大能讓我們在火箭燃料箱上花費更少質量，這是讓火箭更便宜的另一個辦法：讓燃料箱更便宜。這個想法很有吸引力，因為原材料成本相當低，不過和原始燃料成本比起來也不容小覷。
製造業中有四個因素必然會大幅推高成本：超大型物件、低產量、嚴苛的生產質量控制、政府繁文縟節。火箭這四點全占了。
設施成本也很高，還有運到發射場的運輸成本、發射場的存儲與加注成本，以及發射場的人員和維護成本。僅租用發射台進行一次發射就要花費約 100 萬美元。所以如果發射次數更多，所有這些成本都會攤薄。
如果我們能批量生產火箭，成本無疑會低得多，即便沒有重大生產突破，也能藉助規模效應。而且我們還能進行更多測試，看看哪些地方可以做得更薄、更便宜之類的。
當然，最終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維修才能重複使用幾次的火箭，而是一枚能使用數百次、幾乎不需要維修和停機時間的火箭 —— 快速檢查後就能重新加油。
在這種情況下，即便火箭造價 10 億美元，每次飛行也只需花費幾百萬美元。
在開始討論燃料和金屬氫之前，我想花點時間說明：可重複使用不一定是重複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複使用火箭設計上，只有第一級被重複使用，第二級通常被遺棄墜落解體，因為它需要完成再入。
這些二級火箭不一定非要墜回地球，我們這麼做主要是為了避免近地軌道被更多碎片污染 —— 這是個嚴重問題。
多年來，不少人提出過這些二級火箭的替代用途，而不是把它們扔在太空或海洋里，比如把它們焊接起來建成空間站。NASA 研究過很多相關方案，但從未找到一個他們認為值得額外成本和風險的方案。
不過這仍然是一個有吸引力的回收選擇，尤其是隨著我們在太空的存在規模擴大，因為僅一個老式太空梭外燃料箱的容積就超過整個國際空間站。
我們還有另一個降低成本的途徑：燃料。我知道這很讓人困惑，我一直說燃料比火箭其他部分便宜，卻又說它是我們的主要成本，但這始終要回到火箭方程，以及你必須攜帶燃料這個事實。
如果我能把燃料的排氣速度或比沖加倍，也就是用一半重量的燃料獲得同樣的推力，情況就會大不相同。
我們舉個簡單例子說明：我有一枚火箭，發射台處燃料質量 11 萬千克，乾重（燃料耗盡時的質量）1 萬千克，我們假設其中 8000 千克是燃料箱（單燃料箱）。為簡化起見，我們假設是單級火箭 —— 單級火箭通常也被視為可重複使用火箭的理想最終形態。
也就是 10 萬千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克艙體和載荷。我們假設這枚火箭的排氣速度是 3300 米 / 秒，比沖 337 秒，忽略空氣和其他變量，剛好能把我們送入軌道。
現在把排氣速度加倍到 6600 米 / 秒，比沖 674 秒。順便說一句，簡單解釋一下比沖：你可以用排氣速度除以重力加速度 9.8 得到比沖，這就是為什麼公制下比沖數值看起來總是排氣速度除以約 10，英制下除以 32。
幸運的是，兩種計量系統都用秒作為時間單位，這也是比沖的計量單位。但這確實會造成一些困惑，因為很多人以為這是火箭燃燒的時長，而實際數值範圍也大致如此，進一步加劇了混淆。
我們對這類事物的計量體系很大程度上基於地球及其重力，而我們通常正是用火箭逃離地球，所以這個數值接近並非巧合，但最好不要把比沖當作實際時間測量值，只把它看作一個通常為幾百的數字，數值越高代表火箭效率越高，這樣就能避免困惑。這也是我解釋火箭時幾乎總是用排氣速度而非比沖的原因。
回到剛才的例子：11 萬千克的火箭，10 萬千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克有效載荷，以 3300 米 / 秒的排氣速度勉強入軌。現在把排氣速度加倍到 6600 米 / 秒，會有什麼變化？
假設燃料量和燃料箱大小不變，最終載荷不再是 2000 千克，會是多少？不是兩倍，絕對不是。把數值代入火箭方程，我們會得到乾重 33200 千克，其中 8000 千克是燃料箱，所以有效載荷是 25200 千克，而不是原來的 2000 千克。
僅僅因為燃料排氣速度（或比沖）加倍，載荷就提升了 1260%。如果兩種版本的火箭都造價 1 億美元，第一種的發射成本是每千克 5 萬美元，和太空梭一樣，第二種約為每千克 4000 美元。
顯然，我們沒有這樣的神奇燃料。火箭燃料的比沖通常在幾百的區間，大多數市售模型火箭的比沖甚至不到 100。
火箭發射的很多細節會導致，有時使用比沖更低的常規燃料反而能獲得更好的性能，而且海平面和太空真空環境下的表現往往不同，這也是第一級助推器通常和第二級使用不同燃料的部分原因。
舉個例子，液氫液氧是比較常用的推進劑之一，比沖為 451 秒。最常見的燃料依然是液氧作為氧化劑，搭配 RP-1—— 全稱是火箭推進劑 1 號，或精製石油 1 號，本質上是改性煤油，我們也大量使用。它的比沖比液氫低，只有 353 秒。
獵鷹 9 號用的就是這種燃料，大多數火箭也是，原因是它比液氫更容易、更安全地處理、儲存和使用。
順便說一句，最早的火箭燃料之一是乙醇（酒精），比沖 338 秒，只比 RP-1 低一點。所以沒錯，你可以用生物燃料運營太空項目。
有史以來測試過的比沖最高的火箭燃料是上世紀 60 年代某團隊嘗試的氟和氫組合，達到 542 秒，但這種燃料被認為不實用。儘管如此，它在過去半個世紀裡保持著火箭燃料的紀錄。
現在這個紀錄正受到挑戰，有一種物質叫金屬氫，幾年前開始受到關注，最近頻頻登上新聞。我們來簡單聊聊它。
這不是一種新物質，最早在 20 世紀 30 年代就被理論預測。我們認為，在木星、土星等行星的大氣層深處，足夠強的壓縮力能把氫從氣體變成液體，最終變成固體。
這種物質有很多驚人的潛在特性，包括室溫超導性。最近哈佛大學的研究人員認為他們在實驗室里製造出了它。近年來這一領域的主要研究者是哈佛大學的艾薩克・西爾維拉，我會附上他幾年前為 NASA 寫的一份關於其火箭燃料潛在用途的簡短報告，以及在此之前他一份討論基本理論的報告。
它的理論比沖不是其他火箭燃料的 300 到 500 秒，而是1700 秒。我們花點時間感受一下這個數字。
還是用剛才的單級火箭例子，如果發射台處總質量還是 11 萬千克，最終乾重會達到 68000 千克，同樣假設燃料箱重 8000 千克，那麼有效載荷就是 60000 千克，而不是最初例子裡的 2000 千克。
如果這枚火箭造價 1 億美元，送入近地軌道的成本僅為每千克約 667 美元，而不是太空梭的每千克 5 萬美元，也不是我們之前算的、用酒精燃料、比沖 337 秒的火箭的成本 —— 便宜了 30 倍。
更重要的是，這讓單級火箭的想法再次成為可能 —— 能起飛、著陸、加油，不需要多級火箭帶來的所有問題，還能採用堅固結構，讓輕鬆重複使用成為選項。
基本上就是太空飛機，僅靠內部燃料就能起飛入軌，釋放乘客和貨物，著陸後再次執行任務。
不用說，我們距離將金屬氫用作燃料還有很長的路要走，而且從長遠來看，它可能沒有我們想像的那麼好，或者實際使用並不現實。
我們暢想一下：如果能工業化量產石墨烯製造宇宙飛船，用金屬氫作為燃料，那麼太空探索就不需要其他任何新技術了 —— 因為你能設計出僅需 40% 質量作為燃料就能抵達近地軌道的飛船，而石墨烯這種材料能讓飛船造得更輕、更耐用、更可重複使用。
當然，同樣的材料也能讓我們造出長長的非旋轉天鉤，即便可靠性還達不到太空電梯的要求，到時候你只需要約 25% 的燃料，飛船也不需要那麼堅固。
最終你會擁有一套載荷質量超過燃料、火箭和飛船總質量的火箭系統，普通人終於能帶著家人坐火箭去軌道度假，或者去月球迪士尼樂園。
我們聊了很多發射系統，順便說一句，它們大多數都和我們今天談到的理念完全兼容。但這種經典的火箭技術仍然有很大的發展空間，尤其是如果有人能找到金屬氫的量產、儲存和安全用於火箭發射的方法。
如果我們能降低火箭製造成本，或者降低回收和翻新成本，再搭配金屬氫這類新型超級燃料，發射成本會暴跌到接近我們之前討論過的一些發射輔助系統能達到的水平。
可重複使用火箭會取代它們、讓它們變得多餘嗎？不，就算有金屬氫也不會。你始終受限於火箭方程的動力學，所以其他方案依然能取得更好的效果。
而且很多方案也能從火箭的技術進步中受益：比如用金剛石般堅硬的石墨烯製造火箭殼體，會讓火箭更輕、更可重複使用，但同時也會讓天鉤或太空電梯變得更可行，道理是一樣的。
像金屬氫這樣可能實現的常溫超導體，也會讓質量驅動器或太空炮更可行。
但它們確實有很大希望讓當下的太空旅行變得更便宜，同時通過降低成本打開市場，讓太空旅行的需求上升，從而支撐我們討論過、以及未來會討論的一些理念所需的巨額研發和資本投入。
我不認為它們是太空旅行的真正未來，但它們很有希望成為一扇大門，最終打開讓普通人能負擔得起太空度假、讓太空商業和工業利用成為經濟主要板塊的技術。
從這個角度來說，可重複使用火箭無疑是很長一段時間以來太空探索領域最棒的進展之一。
所以今天的主題是可重複使用火箭—— 一項正在大幅降低發射成本的新興技術。我們還會討論我們使用的一些燃料，包括金屬氫—— 一種可能性能大幅提升的新型燃料。金屬氫最近備受關注，也像往常一樣被大肆炒作，但它對火箭和太空飛行而言，確實有成為顛覆性技術的真正潛力。所以我決定在今天的討論中加入它。
一次常規的火箭發射要花費數億美元。事實上，我們估算，太空梭項目如果把全生命周期成本都算上，再除以總發射次數，平均每次發射約 15 億美元。太空梭通常能運送不到 3 萬千克的貨物和人員載荷。如果用這個數值去除 15 億美元，我們會得到每千克約 5 萬美元的發射成本。
我們常說，將載荷送入太空的主要成本是燃料，但事實並非完全如此。燃料的原始成本雖然很高，但通常不到發射成本的 1%，真正昂貴的是火箭本身。發射一枚火箭可能要消耗 10 萬加侖液氫，但這只需要幾十萬美元，而不是幾億美元。假設一次發射的燃料成本為 300 萬美元，那麼每千克成本也只有約 100 美元，和我們在這個系列中了解過的一些更優系統差不多。
火箭的問題確實和燃料有關，但不是燃料本身的稀有成本，而是與攜帶燃料、燃燒燃料、提升速度相關的所有成本。一枚常規火箭助推器可能要花費 1 億美元，而實際燃料可能只值 100 萬美元。不用說，如果我們能重複使用那枚火箭，加滿新燃料，成本會大幅下降。
這麼一個簡單又顯而易見的省錢辦法，人們本該立刻就付諸實施。這正是太空梭項目背後的理念，它的大部分部件都是可重複使用的。我們稍後會以它為例，但在此之前，我想強調火箭所承受的力和壓力有多麼驚人，並把它和汽車做個對比。
假設汽油在你的車輛使用周期內平均每加侖 2.5 美元，你花 2.5 萬美元買了這輛車，油耗是每加侖 30 英里，也就是每升約 50 公里。我們還假設你把車開到 30 萬英里（約 50 萬公里）才報廢，另外花了 2.5 萬美元用於保養，貸款的保險和利息又花了 2.5 萬美元。
大多數人往往認為車輛的主要使用成本是燃料，但按照這個裡程和油價，車報廢前你會用掉 1 萬加侖燃料，總共花 2.5 萬美元。順便說一句，這些燃料的質量是 2.8 萬千克，大約是車重的 20 倍，這個比例和大多數火箭的燃料與所發射載荷的質量比相當接近。
基於這些數字，你總共花 10 萬美元開了 30 萬英里，平均每英里 33 美分，每公里 20 美分，其中只有四分之一是燃料成本。汽車算是我們擁有的可重複使用性最高的機械之一，即便如此，燃料成本也只占總成本的四分之一。
火箭也是一種消耗數千加侖燃料的設備，但它只在幾分鐘內就燒完，而且必須做得超輕以減少燃料消耗，同時還要能承受如此快速燃燒燃料帶來的應力，還要以驚人的速度飛行。
我們來看看太空梭的外燃料箱 —— 它是太空梭唯一不可重複使用的部分。它有著泡沫隔熱層那種標誌性的鏽橙色，非常好認。我們過去把它漆成白色以反射光線，但很快就決定沒必要這麼做，去掉油漆能省下不少重量。那層油漆重近 300 千克，而且它並不是特別厚重的油漆，只是這個燃料箱實在太大了。把它側著放在美式橄欖球場上，能占掉大約一半的場地。
要知道，這個燃料箱空重約是油漆重量的 100 倍，加滿燃料後約是油漆重量的 2000 倍。這能讓你明白，火箭上每一克重量都多麼寶貴。
我們討論讓火箭可重複使用時，顯而易見的思路是給火箭增加堅固結構，但這會引發一個惡性的燃料質量比循環，我們稍後會講到。
這個燃料箱裡裝的是液氫和液氧的混合物，需要保存在極低溫度下，極地冰層都會為之顫抖，我們會把它們點燃 —— 有趣的是，燃燒產物是水蒸氣 —— 同時以讓噴氣式飛機看起來像烏龜的速度衝破大氣層。
想像一下，你打開引擎蓋，放掉冷卻液和機油，然後掛空擋讓引擎空轉直到沒油。想想這會給引擎帶來多大的應力，請務必只是想像，不要真的這麼做，因為至少幾分鐘內你就會毀掉引擎。
我們使用的火箭部件正承受著這類應力，這就是為什麼我們不能直接把火箭撿起來重新加油 —— 這很可惜，因為按現在的幣值計算，太空梭的外燃料箱造價約 1 億美元，而加滿燃料還不到 100 萬美元。
這個外燃料箱不可重複使用還有另一個原因：燃料耗盡時我們就會把它拋掉，此時火箭已經進入太空，速度極快，所以它會重新墜入大氣層，在再入過程中碎裂，通常會墜入印度洋。
太空梭上另外兩枚火箭 —— 固體火箭助推器（SRB），通常在飛行約 2 分鐘、高度約 45 千米時分離，墜落在大西洋中，我們會回收它們，維修翻新後再次使用。這聽起來很棒，但算上為回收而建造、打撈、維修的所有成本，雖然沒人能給出精確數字，但普遍共識是，這麼做的成本幾乎和買新的一樣高。我見過很多人認為，這不僅沒省多少錢，反而花得更多。
很難確切說清，因為政府的會計工作雖然總是非常精準細緻，卻往往比真正的火箭科學還要複雜。我有時懷疑，NASA 的會計部門人員和電腦比任務控制中心還要多。
不過我認為，回收這些助推器是正確的做法，即便節省的成本微乎其微，因為這讓我們有機會研究基本完好的部件，看看發射過程中系統承受的應力和出現的故障情況，很多改進也確實由此而來。
但理想的情況是，火箭能輕鬆回收，經過快速檢查、更換幾個零件後就能幾乎立刻重新加油，就像我們對飛機做的那樣，讓維修翻新成本不超過燃料成本。太空梭的固體火箭助推器顯然不是這樣，我們現在看到的可重複使用火箭也不是。
儘管我們能看到它們降回發射台，但大多數這類設計仍然是多級火箭，只有第一級助推器能被回收。即便做到這一點也非常困難，而且和太空梭的固體助推器一樣，這一級通常是在還未承受完全再入應力的高度和速度下分離的。
需要說明的是，它是一枚兩級火箭，只有第一級能被回收，因此並非完全可重複使用。我們還要注意，每次發射標價 6000 萬美元，其中幾乎沒有成本來自燃料，它將 1 千克載荷送入近地軌道的成本略高於 1000 美元，遠比太空梭估計的每千克 5 萬美元划算，便宜了近 50 倍。
但這和真正可重複使用系統應有的節省幅度相去甚遠 —— 在真正可重複使用的系統里，燃料應該是主要成本，至少占很大一部分。事實上，相比太空梭，這些成本節省大多來自可重複使用之外的其他改進，比如一開始就造得更便宜、更好。
那麼，什麼能讓火箭更便宜？火箭本身昂貴的原因其實還是燃料，因為從重量上來說它很昂貴。你必須攜帶所有燃料和氧化劑，容納它們的結構必須非常堅固，這通常意味著很重。
我們使用多級火箭的原因之一，就是可以拋掉空燃料箱，不用燃燒更多燃料帶著它們飛行。人們會好奇，為什麼我們不用很多小燃料箱，用完一個再用下一個，但這會帶來兩方面成本：金錢成本和質量成本，兩者都直接撞上了平方立方定律。
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舉個例子，如果我能用一個大燃料箱，空重 4 萬千克，能裝 88 萬加侖燃料；把它縮小後，小燃料箱重 1 萬千克，裝 10 萬加侖燃料。這就是平方立方定律。但要給火箭裝 88 萬加侖燃料，我就需要 8 個小燃料箱，總重 8 萬千克，而大燃料箱裝同樣多燃料，只重 4 萬千克。
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後面幾個燃料箱空了之後拋掉，能省一點燃料，但前半段帶著額外燃料箱重量會損失更多。
你可能會好奇，既然燃料便宜，很多問題都來自燃料箱重量，為什麼我們不造更大的火箭？這個方案有人考慮過，其中一個成果就是名為海神龍的火箭設計 —— 一枚長達 150 米、寬 23 米的巨型火箭，寬度和高度都是太空梭外燃料箱的 3 倍，重量接近 30 倍，能將超過 500 噸載荷送入軌道。
這個設計有很多可說的地方，它常被稱作 「大型簡易助推器」，因為在燃料箱方面，它確實能降低製造成本。這個設計打算只用普通鋼材，接近僅以燃料為主要成本時能實現的每千克數百美元入軌成本。
海神龍是個非常龐大的設計，可惜從未建成。但顧名思義，它從海上發射，可由拖船牽引豎起準備發射。海上發射還有不少優勢：一是可以拖到赤道附近 —— 赤道大部分區域是海洋而非陸地 —— 充分利用地球自轉進入軌道。
海神龍的精神繼承者是 Ripple Aerospace 公司的海蛇設計。SS1 是縮小版，能將數噸載荷送入近地軌道；SS2 是重型可重複使用運載火箭，運力約為 SS1 的 10 倍，有望證明海上發射的可行性，最終讓海神龍設計以現代化版本重生。
海上發射還有個好處：你想發射多大的火箭都可以。發射過程會產生巨大的推力和隨之而來的震動，我們通常會在火箭下方噴射大量水來減震，避免設備受損。不用說，海上發射就不存在這個問題。
而且雖然不是技術優勢，在國際水域發射也不需要辦理極其繁瑣昂貴的文書和許可。理想情況下，你還能利用現有造船廠製造大部分部件，它們已經非常擅長建造更大、精度和質量控制要求相似的設備 —— 潛艇和石油鑽井平台的建造難度不亞於火箭或浮動發射台。
海洋除了支持赤道發射之外，還有個優點：如果你打算用液氫和液氧作燃料，你腳下就有大量這兩種物質，可以通過電解現場製造燃料 —— 先不考慮實際操作問題。
我個人很喜歡這樣的設想：一個巨大的浮動火箭基地，布滿太陽能板，電解製造所需的全部燃料，還能移動位置躲避惡劣天氣 —— 天氣會導致很多發射取消，大幅增加總發射成本。
如前所述，海神龍的很大一部分優勢在於，僅憑尺寸就大幅降低了火箭製造成本，因為平方立方定律降低了每千克入軌載荷的有效火箭成本。燃料箱更大、壁厚相同、隔熱層相同，每加侖燃料對應的燃料箱重量更小。在這方面，越大越好，不過當載荷達到 1000 噸左右時，就會接近理論上限。
我一位業內朋友說，即便考慮使用石墨烯 —— 我們常說用於太空電梯或天鉤的超強材料 —— 也只能把載荷推到約 2000 噸（注意是載荷，不是火箭）。
做大能讓我們在火箭燃料箱上花費更少質量，這是讓火箭更便宜的另一個辦法：讓燃料箱更便宜。這個想法很有吸引力，因為原材料成本相當低，不過和原始燃料成本比起來也不容小覷。
製造業中有四個因素必然會大幅推高成本：超大型物件、低產量、嚴苛的生產質量控制、政府繁文縟節。火箭這四點全占了。
設施成本也很高，還有運到發射場的運輸成本、發射場的存儲與加注成本，以及發射場的人員和維護成本。僅租用發射台進行一次發射就要花費約 100 萬美元。所以如果發射次數更多，所有這些成本都會攤薄。
如果我們能批量生產火箭，成本無疑會低得多，即便沒有重大生產突破，也能藉助規模效應。而且我們還能進行更多測試，看看哪些地方可以做得更薄、更便宜之類的。
當然，最終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維修才能重複使用幾次的火箭，而是一枚能使用數百次、幾乎不需要維修和停機時間的火箭 —— 快速檢查後就能重新加油。
在這種情況下，即便火箭造價 10 億美元，每次飛行也只需花費幾百萬美元。
在開始討論燃料和金屬氫之前，我想花點時間說明：可重複使用不一定是重複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複使用火箭設計上，只有第一級被重複使用，第二級通常被遺棄墜落解體，因為它需要完成再入。
這些二級火箭不一定非要墜回地球，我們這麼做主要是為了避免近地軌道被更多碎片污染 —— 這是個嚴重問題。
多年來，不少人提出過這些二級火箭的替代用途，而不是把它們扔在太空或海洋里，比如把它們焊接起來建成空間站。NASA 研究過很多相關方案，但從未找到一個他們認為值得額外成本和風險的方案。
不過這仍然是一個有吸引力的回收選擇，尤其是隨著我們在太空的存在規模擴大，因為僅一個老式太空梭外燃料箱的容積就超過整個國際空間站。
我們還有另一個降低成本的途徑：燃料。我知道這很讓人困惑，我一直說燃料比火箭其他部分便宜，卻又說它是我們的主要成本，但這始終要回到火箭方程，以及你必須攜帶燃料這個事實。
如果我能把燃料的排氣速度或比沖加倍，也就是用一半重量的燃料獲得同樣的推力，情況就會大不相同。
我們舉個簡單例子說明：我有一枚火箭，發射台處燃料質量 11 萬千克，乾重（燃料耗盡時的質量）1 萬千克，我們假設其中 8000 千克是燃料箱（單燃料箱）。為簡化起見，我們假設是單級火箭 —— 單級火箭通常也被視為可重複使用火箭的理想最終形態。
也就是 10 萬千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克艙體和載荷。我們假設這枚火箭的排氣速度是 3300 米 / 秒，比沖 337 秒，忽略空氣和其他變量，剛好能把我們送入軌道。
現在把排氣速度加倍到 6600 米 / 秒，比沖 674 秒。順便說一句，簡單解釋一下比沖：你可以用排氣速度除以重力加速度 9.8 得到比沖，這就是為什麼公制下比沖數值看起來總是排氣速度除以約 10，英制下除以 32。
幸運的是，兩種計量系統都用秒作為時間單位，這也是比沖的計量單位。但這確實會造成一些困惑，因為很多人以為這是火箭燃燒的時長，而實際數值範圍也大致如此，進一步加劇了混淆。
我們對這類事物的計量體系很大程度上基於地球及其重力，而我們通常正是用火箭逃離地球，所以這個數值接近並非巧合，但最好不要把比沖當作實際時間測量值，只把它看作一個通常為幾百的數字，數值越高代表火箭效率越高，這樣就能避免困惑。這也是我解釋火箭時幾乎總是用排氣速度而非比沖的原因。
回到剛才的例子：11 萬千克的火箭，10 萬千克燃料、8000 千克燃料箱、2000 千克有效載荷，以 3300 米 / 秒的排氣速度勉強入軌。現在把排氣速度加倍到 6600 米 / 秒，會有什麼變化？
假設燃料量和燃料箱大小不變，最終載荷不再是 2000 千克，會是多少？不是兩倍，絕對不是。把數值代入火箭方程，我們會得到乾重 33200 千克，其中 8000 千克是燃料箱，所以有效載荷是 25200 千克，而不是原來的 2000 千克。
僅僅因為燃料排氣速度（或比沖）加倍，載荷就提升了 1260%。如果兩種版本的火箭都造價 1 億美元，第一種的發射成本是每千克 5 萬美元，和太空梭一樣，第二種約為每千克 4000 美元。
顯然，我們沒有這樣的神奇燃料。火箭燃料的比沖通常在幾百的區間，大多數市售模型火箭的比沖甚至不到 100。
火箭發射的很多細節會導致，有時使用比沖更低的常規燃料反而能獲得更好的性能，而且海平面和太空真空環境下的表現往往不同，這也是第一級助推器通常和第二級使用不同燃料的部分原因。
舉個例子，液氫液氧是比較常用的推進劑之一，比沖為 451 秒。最常見的燃料依然是液氧作為氧化劑，搭配 RP-1—— 全稱是火箭推進劑 1 號，或精製石油 1 號，本質上是改性煤油，我們也大量使用。它的比沖比液氫低，只有 353 秒。
獵鷹 9 號用的就是這種燃料，大多數火箭也是，原因是它比液氫更容易、更安全地處理、儲存和使用。
順便說一句，最早的火箭燃料之一是乙醇（酒精），比沖 338 秒，只比 RP-1 低一點。所以沒錯，你可以用生物燃料運營太空項目。
有史以來測試過的比沖最高的火箭燃料是上世紀 60 年代某團隊嘗試的氟和氫組合，達到 542 秒，但這種燃料被認為不實用。儘管如此，它在過去半個世紀裡保持著火箭燃料的紀錄。
現在這個紀錄正受到挑戰，有一種物質叫金屬氫，幾年前開始受到關注，最近頻頻登上新聞。我們來簡單聊聊它。
這不是一種新物質，最早在 20 世紀 30 年代就被理論預測。我們認為，在木星、土星等行星的大氣層深處，足夠強的壓縮力能把氫從氣體變成液體，最終變成固體。
這種物質有很多驚人的潛在特性，包括室溫超導性。最近哈佛大學的研究人員認為他們在實驗室里製造出了它。近年來這一領域的主要研究者是哈佛大學的艾薩克・西爾維拉，我會附上他幾年前為 NASA 寫的一份關於其火箭燃料潛在用途的簡短報告，以及在此之前他一份討論基本理論的報告。
它的理論比沖不是其他火箭燃料的 300 到 500 秒，而是1700 秒。我們花點時間感受一下這個數字。
還是用剛才的單級火箭例子，如果發射台處總質量還是 11 萬千克，最終乾重會達到 68000 千克，同樣假設燃料箱重 8000 千克，那麼有效載荷就是 60000 千克，而不是最初例子裡的 2000 千克。
如果這枚火箭造價 1 億美元，送入近地軌道的成本僅為每千克約 667 美元，而不是太空梭的每千克 5 萬美元，也不是我們之前算的、用酒精燃料、比沖 337 秒的火箭的成本 —— 便宜了 30 倍。
更重要的是，這讓單級火箭的想法再次成為可能 —— 能起飛、著陸、加油，不需要多級火箭帶來的所有問題，還能採用堅固結構，讓輕鬆重複使用成為選項。
基本上就是太空飛機，僅靠內部燃料就能起飛入軌，釋放乘客和貨物，著陸後再次執行任務。
不用說，我們距離將金屬氫用作燃料還有很長的路要走，而且從長遠來看，它可能沒有我們想像的那麼好，或者實際使用並不現實。
我們暢想一下：如果能工業化量產石墨烯製造宇宙飛船，用金屬氫作為燃料，那麼太空探索就不需要其他任何新技術了 —— 因為你能設計出僅需 40% 質量作為燃料就能抵達近地軌道的飛船，而石墨烯這種材料能讓飛船造得更輕、更耐用、更可重複使用。
當然，同樣的材料也能讓我們造出長長的非旋轉天鉤，即便可靠性還達不到太空電梯的要求，到時候你只需要約 25% 的燃料，飛船也不需要那麼堅固。
最終你會擁有一套載荷質量超過燃料、火箭和飛船總質量的火箭系統，普通人終於能帶著家人坐火箭去軌道度假，或者去月球迪士尼樂園。
我們聊了很多發射系統，順便說一句，它們大多數都和我們今天談到的理念完全兼容。但這種經典的火箭技術仍然有很大的發展空間，尤其是如果有人能找到金屬氫的量產、儲存和安全用於火箭發射的方法。
如果我們能降低火箭製造成本，或者降低回收和翻新成本，再搭配金屬氫這類新型超級燃料，發射成本會暴跌到接近我們之前討論過的一些發射輔助系統能達到的水平。
可重複使用火箭會取代它們、讓它們變得多餘嗎？不，就算有金屬氫也不會。你始終受限於火箭方程的動力學，所以其他方案依然能取得更好的效果。
而且很多方案也能從火箭的技術進步中受益：比如用金剛石般堅硬的石墨烯製造火箭殼體，會讓火箭更輕、更可重複使用，但同時也會讓天鉤或太空電梯變得更可行，道理是一樣的。
像金屬氫這樣可能實現的常溫超導體，也會讓質量驅動器或太空炮更可行。
但它們確實有很大希望讓當下的太空旅行變得更便宜，同時通過降低成本打開市場，讓太空旅行的需求上升，從而支撐我們討論過、以及未來會討論的一些理念所需的巨額研發和資本投入。
我不認為它們是太空旅行的真正未來，但它們很有希望成為一扇大門，最終打開讓普通人能負擔得起太空度假、讓太空商業和工業利用成為經濟主要板塊的技術。
從這個角度來說，可重複使用火箭無疑是很長一段時間以來太空探索領域最棒的進展之一。