李水旺新一期視頻:
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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,但這隻需要幾十萬美元,而不是幾億美元。假設一次發射的燃料成本為 300 萬美元,那麼每千克成本也隻有約 100 美元,和我們在這個係列中了解過的一些更優係統差不多。
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,而實際燃料可能隻值 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 英裡,也就是每升約 50 公裡。我們還假設你把車開到 30 萬英裡(約 50 萬公裡)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 萬英裡,平均每英裡 33 美分,每公裡 20 美分,其中隻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,燃料成本也隻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,但它隻在幾分鐘內就燒完,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。
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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,隻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。
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