除了SpaceX星舰，还有哪些另类航天路？
本文来自微信公众号：老和山下的小学僧 （ID：gh_586564bb7b66），作者：老和山下的小学僧，原文标题：《SpaceX星舰：另类航天路》，头图来自：视觉中国
人类有史以来最大的火箭——SpaceX星舰+B4火箭，于2023年4月20日首飞失败，引得网上口水战再起，有的骂“江湖骗子”，有的夸“未来之光”。于是，本僧决定再凑一回热闹。
第一回凑热闹是在2018年，写了一篇《娱乐巨星：猎鹰火箭》，大意是说：老马（马斯克）用成熟技术干了一件大事，至于这路子最终能走多远，咱也不知道，只隐约表达了一点不太看好的个人想法。
第二回是在2021年，写了一篇《倔强不锈钢：星舰》，大意是：老马巧妙利用资本的力量，采用快速迭代、快速试错的方法，尽量压榨现有技术的潜力，竟然榨到了相当高的境界，隐隐有了一统天下的风采。
不熟悉老马套路的同学可以看看这篇文章，不说是好是坏，至少和稳扎稳打、精益求精的传统航天路线是完全不同的。（文章链接放这：《倔强不锈钢：星舰》）
今天，结合本僧新书中的内容，咱顺着星舰的话题，扯一扯那些不太靠谱的另类航天路。
一、火箭为什么要大推力
火箭和飞机的飞行逻辑是完全不一样的，飞机只要多带一半燃料，差不多就能多一半航程，而火箭就没这么简单了。
对于太空旅行来说，速度意味着航程，因为大家都是在地球附近加速到某一速度，然后被甩到太空里的，初速度就决定了航天器能飞到哪里。想要飞得远，先要飞得快。
这就带来一个问题，火箭想飞得越快，燃料就越多；燃料越多，火箭就越重；火箭越重，起飞时发动机推力只能跟着变大。也就是说，能飞远的火箭注定是一枚大推力火箭。
在这个恶性循环中，燃料是非常吃亏的，因为速度增量和燃料增量并不成正比，而是呈指数关系。以SpaceX的液氧甲烷燃料为例，假设火箭加速到8km/s需要100吨燃料，那么加速到16km/s则需1160吨燃料，同时，也意味着发动机推力要增加十倍以上。
地球人最大推力的火箭发动机当属俄罗斯的RD-171系列，单台推力超过了800吨，啥概念呢？这家伙每秒要把大约2吨的燃料挤进压力高达200多个大气压的燃烧室，负责干这个活的叫涡轮泵，其功率与一艘核动力航母相当。也就是说，仅仅一个火箭发动机里抽燃料的泵，就可以推着一艘十万吨的航母在海上狂奔，难度可想而知。
这路子一看就知道很不好走，因为人类的材料都是有极限的，很多设备已经把材料逼到极限边缘工作了，留给我们的潜力真的不多了。更悲剧的是，即便我们绞尽脑汁，搞出了1000吨推力的发动机，其实也干不了多少活。所以，人们不得不把几个发动机绑在一起工作。
于是，我们就迎来了一道概率计算题。
二、两条路
假设我们需要一枚推力3000吨、可靠性90%的火箭，那么，可以用3个可靠性96.5%的1000吨大推力发动机捆绑，或者用20个可靠性99.5%的150吨小推力发动机捆绑。
传统航天大国认为，大推力路线更靠谱，而SpaceX的老马则认为，小推力路线也值得尝试。
从这个角度说，不管老马的火箭炸了多少次，都是值得肯定的。相关话题前文已经说过，还没过时，这儿就不重复了。
绕过这些纷争，我们把眼光看得稍远一点，人类采用哪种技术路线更容易纵横太阳系呢？
本僧在书中举过一个例子，把地球上所有化石燃料，诸如石油、煤炭、天然气，全都转化成火箭燃料，只能把十分之一座泰山送出太阳系。可见，就算你把火箭发动机做得和自行车一样成熟，未来人类也不可能像穿梭于地球各个城市那样频繁穿梭于太阳系各大行星，这是化石燃料的天然困境。
于是，人们又在探索“离子推进器+核反应堆”的技术路线，中美两国在太空版核反应堆的路上已经蹚出了不少，试图用核能为地球火星之间的大质量运输提供能源。
空间反应堆项目已经于2022年通过验收了，未来咱们很有可能把核电厂搬到太空。无论在哪，只要有了充足的电，万事都好办。
那么问题来了，除了这种传统路线，还有没有一些取巧的另类路子，值得各国老马们尝试呢？
三、另类野路子
不管是核能还是化石燃料，太空运输都会消耗大量能源，那有没有可能把这些能量收集起来，反复利用呢？
就好比，电梯下行的时候，把重力势能收集起来，等电梯要往上走的时候，就把能量释放出来驱动电梯，如果忽略摩擦力和损耗的话，理论上，电梯自身的上下是不消耗能量的（货物另算）。
同理，以地球和月球为例，飞船飞过了拉格朗日点，剩下的路程是靠地球引力吸回来的，相当于一个很高很高很高的电梯往下掉，所以到了地球附近速度非常快，需要开启发动机减速，非常浪费能量。
于是，新路子就来了。
在地球附近建设一系列电磁线圈，飞船冲进线圈，利用电磁场逐步减速，根据电磁感应原理，飞船减速的能量就可以转化为电能存储起来，整个原理就是电磁炮发射弹丸的逆向过程。
等下次要去月球时，把电能释放出来，像电磁炮那样把飞船打出去。
同理，在月球附近也建设一排电磁线圈，把飞船冲向月球的能量转化为电能，用来返回地球时使用。
理论上说，这样两组电磁炮，可以把飞船在地球和月球之间来回发射，能耗极低。如果线圈用的是超导线圈，那能量损耗更加微乎其微。
除了能耗之外，还有一个动量守恒问题，两组电磁炮相互扔飞船的过程中，因为动量守恒定律，两者距离会越来越远。不过这个问题不难解决，电磁炮不是静止在太空，而是绕着地球转圈，因此可以利用转圈时不同的速度方向进行接收和发射，抵消冲量。
像这种太空电磁码头，每个行星都建几组，那么太阳系里的频繁往来将不再消耗大量能源。
原理有了，接下来算一算工程量。
从地球外面回来的飞行器，要从第二宇宙速度降到第一宇宙速度，加速度按5g算（现有火箭发射时的加速度，宇航员都能承受），飞船按10吨计，则需要50万牛的阻力。
这点力气，即便是现在的技术也能轻松完成，一般的电磁炮能把10公斤的弹丸以几万个g的加速度扔出去，推力高达数百万牛。
不过，降速路程有点长，大约500公里。也就是说，要在太空建一排长度500公里的线圈，总质量嘛，怎么也得有5万吨。
把5万吨货送到太空，快递费5000亿打底。超导材料目前有点贵，咱们先用铜线圈加超级电容的方案，加上控制系统、推进器等，拍大腿算算，造价再算5000亿。
所以，咱们的预算就出来了——1万亿。
好了，各位老马们，反正钱闲着也是闲着，不如大伙凑个1万亿，在地球附近架一台太空电磁码头，为人类航天事业蹚几步路，如何？
本文来自微信公众号：老和山下的小学僧 （ID：gh_586564bb7b66），作者：老和山下的小学僧
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