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所以今天的主题是可重复使用火箭—— 一项正在大幅降低发射成本的新兴技术。我们还会讨论我们使用的一些燃料，包括金属氢—— 一种可能性能大幅提升的新型燃料。金属氢最近备受关注，也像往常一样被大肆炒作，但它对火箭和太空飞行而言，确实有成为颠覆性技术的真正潜力。所以我决定在今天的讨论中加入它。
一次常规的火箭发射要花费数亿美元。事实上，我们估算，航天飞机项目如果把全生命周期成本都算上，再除以总发射次数，平均每次发射约 15 亿美元。航天飞机通常能运送不到 3 万千克的货物和人员载荷。如果用这个数值去除 15 亿美元，我们会得到每千克约 5 万美元的发射成本。
我们常说，将载荷送入太空的主要成本是燃料，但事实并非完全如此。燃料的原始成本虽然很高，但通常不到发射成本的 1%，真正昂贵的是火箭本身。发射一枚火箭可能要消耗 10 万加仑液氢，但这只需要几十万美元，而不是几亿美元。假设一次发射的燃料成本为 300 万美元，那么每千克成本也只有约 100 美元，和我们在这个系列中了解过的一些更优系统差不多。
火箭的问题确实和燃料有关，但不是燃料本身的稀有成本，而是与携带燃料、燃烧燃料、提升速度相关的所有成本。一枚常规火箭助推器可能要花费 1 亿美元，而实际燃料可能只值 100 万美元。不用说，如果我们能重复使用那枚火箭，加满新燃料，成本会大幅下降。
这么一个简单又显而易见的省钱办法，人们本该立刻就付诸实施。这正是航天飞机项目背后的理念，它的大部分部件都是可重复使用的。我们稍后会以它为例，但在此之前，我想强调火箭所承受的力和压力有多么惊人，并把它和汽车做个对比。
假设汽油在你的车辆使用周期内平均每加仑 2.5 美元，你花 2.5 万美元买了这辆车，油耗是每加仑 30 英里，也就是每升约 50 公里。我们还假设你把车开到 30 万英里（约 50 万公里）才报废，另外花了 2.5 万美元用于保养，贷款的保险和利息又花了 2.5 万美元。
大多数人往往认为车辆的主要使用成本是燃料，但按照这个里程和油价，车报废前你会用掉 1 万加仑燃料，总共花 2.5 万美元。顺便说一句，这些燃料的质量是 2.8 万千克，大约是车重的 20 倍，这个比例和大多数火箭的燃料与所发射载荷的质量比相当接近。
基于这些数字，你总共花 10 万美元开了 30 万英里，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。汽车算是我们拥有的可重复使用性最高的机械之一，即便如此，燃料成本也只占总成本的四分之一。
火箭也是一种消耗数千加仑燃料的设备，但它只在几分钟内就烧完，而且必须做得超轻以减少燃料消耗，同时还要能承受如此快速燃烧燃料带来的应力，还要以惊人的速度飞行。
我们来看看航天飞机的外燃料箱 —— 它是航天飞机唯一不可重复使用的部分。它有着泡沫隔热层那种标志性的锈橙色，非常好认。我们过去把它漆成白色以反射光线，但很快就决定没必要这么做，去掉油漆能省下不少重量。那层油漆重近 300 千克，而且它并不是特别厚重的油漆，只是这个燃料箱实在太大了。把它侧着放在美式橄榄球场上，能占掉大约一半的场地。
要知道，这个燃料箱空重约是油漆重量的 100 倍，加满燃料后约是油漆重量的 2000 倍。这能让你明白，火箭上每一克重量都多么宝贵。
我们讨论让火箭可重复使用时，显而易见的思路是给火箭增加坚固结构，但这会引发一个恶性的燃料质量比循环，我们稍后会讲到。
这个燃料箱里装的是液氢和液氧的混合物，需要保存在极低温度下，极地冰层都会为之颤抖，我们会把它们点燃 —— 有趣的是，燃烧产物是水蒸气 —— 同时以让喷气式飞机看起来像乌龟的速度冲破大气层。
想象一下，你打开引擎盖，放掉冷却液和机油，然后挂空挡让引擎空转直到没油。想想这会给引擎带来多大的应力，请务必只是想象，不要真的这么做，因为至少几分钟内你就会毁掉引擎。
我们使用的火箭部件正承受着这类应力，这就是为什么我们不能直接把火箭捡起来重新加油 —— 这很可惜，因为按现在的币值计算，航天飞机的外燃料箱造价约 1 亿美元，而加满燃料还不到 100 万美元。
这个外燃料箱不可重复使用还有另一个原因：燃料耗尽时我们就会把它抛掉，此时火箭已经进入太空，速度极快，所以它会重新坠入大气层，在再入过程中碎裂，通常会坠入印度洋。
航天飞机上另外两枚火箭 —— 固体火箭助推器（SRB），通常在飞行约 2 分钟、高度约 45 千米时分离，坠落在大西洋中，我们会回收它们，维修翻新后再次使用。这听起来很棒，但算上为回收而建造、打捞、维修的所有成本，虽然没人能给出精确数字，但普遍共识是，这么做的成本几乎和买新的一样高。我见过很多人认为，这不仅没省多少钱，反而花得更多。
很难确切说清，因为政府的会计工作虽然总是非常精准细致，却往往比真正的火箭科学还要复杂。我有时怀疑，NASA 的会计部门人员和电脑比任务控制中心还要多。
不过我认为，回收这些助推器是正确的做法，即便节省的成本微乎其微，因为这让我们有机会研究基本完好的部件，看看发射过程中系统承受的应力和出现的故障情况，很多改进也确实由此而来。
但理想的情况是，火箭能轻松回收，经过快速检查、更换几个零件后就能几乎立刻重新加油，就像我们对飞机做的那样，让维修翻新成本不超过燃料成本。航天飞机的固体火箭助推器显然不是这样，我们现在看到的可重复使用火箭也不是。
尽管我们能看到它们降回发射台，但大多数这类设计仍然是多级火箭，只有第一级助推器能被回收。即便做到这一点也非常困难，而且和航天飞机的固体助推器一样，这一级通常是在还未承受完全再入应力的高度和速度下分离的。
我们来看具体例子，说说备受关注的猎鹰 9 号，尤其是它的四推力变体。想必你知道，它由 SpaceX 公司制造，该公司由埃隆・马斯克创立，他几乎肯定不需要介绍。所以我们把重点放在火箭本身。
需要说明的是，它是一枚两级火箭，只有第一级能被回收，因此并非完全可重复使用。我们还要注意，每次发射标价 6000 万美元，其中几乎没有成本来自燃料，它将 1 千克载荷送入近地轨道的成本略高于 1000 美元，远比航天飞机估计的每千克 5 万美元划算，便宜了近 50 倍。
但这和真正可重复使用系统应有的节省幅度相去甚远 —— 在真正可重复使用的系统里，燃料应该是主要成本，至少占很大一部分。事实上，相比航天飞机，这些成本节省大多来自可重复使用之外的其他改进，比如一开始就造得更便宜、更好。
那么，什么能让火箭更便宜？火箭本身昂贵的原因其实还是燃料，因为从重量上来说它很昂贵。你必须携带所有燃料和氧化剂，容纳它们的结构必须非常坚固，这通常意味着很重。
我们使用多级火箭的原因之一，就是可以抛掉空燃料箱，不用燃烧更多燃料带着它们飞行。人们会好奇，为什么我们不用很多小燃料箱，用完一个再用下一个，但这会带来两方面成本：金钱成本和质量成本，两者都直接撞上了平方立方定律。
几何学告诉我们，如果把一个物体的宽度加倍，表面积通常会增加 2 的平方，也就是 4 倍，而体积会增加 2 的立方，也就是 8 倍。如果我的燃料箱需要 1 厘米厚才能承受应力，那么把尺寸加倍后，燃料容量变成 8 倍，而燃料箱重量只增加 4 倍。
举个例子，如果我能用一个大燃料箱，空重 4 万千克，能装 88 万加仑燃料；把它缩小后，小燃料箱重 1 万千克，装 10 万加仑燃料。这就是平方立方定律。但要给火箭装 88 万加仑燃料，我就需要 8 个小燃料箱，总重 8 万千克，而大燃料箱装同样多燃料，只重 4 万千克。
后面几个燃料箱空了之后抛掉，能省一点燃料，但前半段带着额外燃料箱重量会损失更多。
你可能会好奇，既然燃料便宜，很多问题都来自燃料箱重量，为什么我们不造更大的火箭？这个方案有人考虑过，其中一个成果就是名为海神龙的火箭设计 —— 一枚长达 150 米、宽 23 米的巨型火箭，宽度和高度都是航天飞机外燃料箱的 3 倍，重量接近 30 倍，能将超过 500 吨载荷送入轨道。
这个设计有很多可说的地方，它常被称作 “大型简易助推器”，因为在燃料箱方面，它确实能降低制造成本。这个设计打算只用普通钢材，接近仅以燃料为主要成本时能实现的每千克数百美元入轨成本。
海神龙是个非常庞大的设计，可惜从未建成。但顾名思义，它从海上发射，可由拖船牵引竖起准备发射。海上发射还有不少优势：一是可以拖到赤道附近 —— 赤道大部分区域是海洋而非陆地 —— 充分利用地球自转进入轨道。
海神龙的精神继承者是 Ripple Aerospace 公司的海蛇设计。SS1 是缩小版，能将数吨载荷送入近地轨道；SS2 是重型可重复使用运载火箭，运力约为 SS1 的 10 倍，有望证明海上发射的可行性，最终让海神龙设计以现代化版本重生。
海上发射还有个好处：你想发射多大的火箭都可以。发射过程会产生巨大的推力和随之而来的震动，我们通常会在火箭下方喷射大量水来减震，避免设备受损。不用说，海上发射就不存在这个问题。
而且虽然不是技术优势，在国际水域发射也不需要办理极其繁琐昂贵的文书和许可。理想情况下，你还能利用现有造船厂制造大部分部件，它们已经非常擅长建造更大、精度和质量控制要求相似的设备 —— 潜艇和石油钻井平台的建造难度不亚于火箭或浮动发射台。
海洋除了支持赤道发射之外，还有个优点：如果你打算用液氢和液氧作燃料，你脚下就有大量这两种物质，可以通过电解现场制造燃料 —— 先不考虑实际操作问题。
我个人很喜欢这样的设想：一个巨大的浮动火箭基地，布满太阳能板，电解制造所需的全部燃料，还能移动位置躲避恶劣天气 —— 天气会导致很多发射取消，大幅增加总发射成本。
如前所述，海神龙的很大一部分优势在于，仅凭尺寸就大幅降低了火箭制造成本，因为平方立方定律降低了每千克入轨载荷的有效火箭成本。燃料箱更大、壁厚相同、隔热层相同，每加仑燃料对应的燃料箱重量更小。在这方面，越大越好，不过当载荷达到 1000 吨左右时，就会接近理论上限。
我一位业内朋友说，即便考虑使用石墨烯 —— 我们常说用于太空电梯或天钩的超强材料 —— 也只能把载荷推到约 2000 吨（注意是载荷，不是火箭）。
做大能让我们在火箭燃料箱上花费更少质量，这是让火箭更便宜的另一个办法：让燃料箱更便宜。这个想法很有吸引力，因为原材料成本相当低，不过和原始燃料成本比起来也不容小觑。
制造业中有四个因素必然会大幅推高成本：超大型物件、低产量、严苛的生产质量控制、政府繁文缛节。火箭这四点全占了。
设施成本也很高，还有运到发射场的运输成本、发射场的存储与加注成本，以及发射场的人员和维护成本。仅租用发射台进行一次发射就要花费约 100 万美元。所以如果发射次数更多，所有这些成本都会摊薄。
如果我们能批量生产火箭，成本无疑会低得多，即便没有重大生产突破，也能借助规模效应。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，最终目标不是造一枚便宜、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。
在开始讨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于火箭原本的用途。如前所述，在老式航天飞机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，尤其是随着我们在太空的存在规模扩大，因为仅一个老式航天飞机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，干重（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态。
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。但这确实会造成一些困惑，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于地球及其重力，而我们通常正是用火箭逃离地球，所以这个数值接近并非巧合，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，我们会得到干重 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，和航天飞机一样，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 号，或精制石油 1 号，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 号用的就是这种燃料，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。尽管如此，它在过去半个世纪里保持着火箭燃料的纪录。
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制造出了它。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 写的一份关于其火箭燃料潜在用途的简短报告，以及在此之前他一份讨论基本理论的报告。
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，最终干重会达到 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，而不是航天飞机的每千克 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、着陆、加油，不需要多级火箭带来的所有问题，还能采用坚固结构，让轻松重复使用成为选项。
基本上就是太空飞机，仅靠内部燃料就能起飞入轨，释放乘客和货物，着陆后再次执行任务。
不用说，我们距离将金属氢用作燃料还有很长的路要走，而且从长远来看，它可能没有我们想象的那么好，或者实际使用并不现实。
我们畅想一下：如果能工业化量产石墨烯制造宇宙飞船，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钩，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，普通人终于能带着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产、储存和安全用于火箭发射的方法。
如果我们能降低火箭制造成本，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讨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。你始终受限于火箭方程的动力学，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制造火箭壳体，会让火箭更轻、更可重复使用，但同时也会让天钩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。
但它们确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，从而支撑我们讨论过、以及未来会讨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。
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