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齐奥尔科夫斯基火箭方程［Δv =vexh ln（M0 /M1 ）］将我们带入轨道以及轨道之外。在这个方程中，Δv 是发射台到轨道的速度变化，它与火箭排气速度（vexh ）有关，或者说与火箭在一个给定引力场利用推进剂的效率有关，然后乘以两个质量相除后的自然对数函数（ln）。这两个质量分别是装满燃料的火箭初始质量（M0 ）和燃料燃烧完且助推火箭脱落后卫星的最终质量（M1 ）。现在让我们加上一些数字。近地轨道卫星以8千米/秒的速度移动。这个速度太快了。从洛杉矶飞到纽约只需要8分钟，要加速到这个速度需要大量燃料。这是保持在近地轨道所需的最终速度。再慢一点，你就会退回西班牙[3] ；再快一点，你就会飞到更高的轨道上。要使卫星达到这个速度，你需要赋予它大约10千米/秒的Δv ，略高于轨道速度，因为要克服非常稀薄的残留大气层造成的阻力。要到达近地小行星，需要12千米/秒的Δv ；到达月球，需要14千米/秒；到达火星，16千米/秒。因此，你可以看到，离开地球到达大约100英里远的轨道需要的燃料是到达3000万英里远的火星的一半（去往火星的途中，一旦达到16千米/秒的Δv ，之后你只需要燃料来减速，而不需要燃料来保持速度）。
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一旦你知道了想要的Δv ，方程的元素就相当固定了。vexh 是基于火箭燃料的化学效率，而在大多数情况下，我们使用的是我们所拥有的最强大的化学燃料。送入轨道的卫星质量只占发射质量的2%～5%，剩下的质量都来自火箭和燃料，这就是叫它令人不快的必需品的原因。更快的速 度需要更多的燃料，更多的燃料增加更多的质量，更多的质量需要更多的燃料，更多的燃料又会增加更多的质量，更多的质量需要更多的燃料，更多的燃料又会增加更多的质量，如此循环往复。一旦速度变快，转换到较慢的速度也需要燃料，因为太空中没有空气制动。你必须反方向点燃发动机。从任何一种轨道转换到另一种轨道——近地轨道、地球同步轨道、月球轨道——都需要调整Δv ，都需要消耗燃料。
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虽然这都是物理学问题，但也是经济学问题。燃料越多，花的钱越多。燃料越高效，质量占比就越小。但与廉价的火箭燃料相比，试验新燃料在研发及储存上投入的成本也更高，所以你不可能通过这种方式节省很多。轻质材料可以减轻一些质量。但依然存在问题：能够经受严酷的发射考验的更轻的材料，更难制造，成本也更高，所以靠这种方式也不能节省很多钱。令人不快的必需品问题能够解决吗？事实上，如果地球的质量再大一些，凭借我们当前的混合火箭燃料将永远无法离开地球，因为引力井会更深，没有任何火箭能造得足够大、足够轻，能够装载所需的燃料并且将之送入轨道。
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很多人惊讶地发现，伫立在发射台上等待发射升空的火箭，约有90%的质量是燃料，8%的质量是用来装燃料的金属外壳，而送入太空的东西——人或货物——只占到总质量的2%。目前的系统是把我们自己绑在几根带着500吨燃料和一点点货物的一次性罗马烟火筒上，因此非常昂贵，每磅货物的成本超过1万美元。1加仑水，1万美元；早餐，1万美元；几双袜子，1万美元。要建立一处太空定居点，我们需要很多双袜子和其他必需品。与此同时，进入太空需要像乘坐飞机进入天空一样实惠、可靠，或者像历史上移民乘船进入海洋一样经济。依照上面的情形，你还没给自己买票，那个重达100磅，装有你去新世界的所有物品的大旅行箱，就已经花掉了100万美元。
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能够在轨道或月球上制造空气、水、食物、衣服、庇护所和大型飞船等必需品，进而不必从地球发射所有这些物资之前，成本是不会显著下降的。但你看过《第22条军规》（Catch-22 ）[4] 没有？如果将基础设施发射到太空成本过高的话，我们如何在太空建立起旨在降低进入太空成本的基础设施？从火箭方程式可看出，建立太空基础设施的花费几乎一定是天文数字。你可以咬咬牙，把这笔钱称为对未来的投资。但是这样做会有回报吗？从某种程度上说，建立月球定居点来推动太空经济是具有极大的经济意义的，因为月球是一个巨大的、低重力的轨道仓库，储存着燃料和原材料。月球资源可以让月球移民有利可图，就像鱼、毛皮和木材在17世纪和18世纪为北美的欧洲移民带来财富一样。但从另外角度来说，就算你能“噗”的一声让基础设施出现在月球上，也仍然得不到利润，月球居民没有市场出售商品，进入太空太昂贵，无法使用这些材料建造在轨城市、巨大的太阳能阵列和大型航天器。
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你可以梦想生活在月球或火星上，那里有漂亮的穹顶和无尽的一排排水培蔬菜。但在找到比火箭方程更聪明的方法将成本降低，让人可通过某种方法获得确定利润之前，这真的只是幻想。尼尔·德格拉斯·泰森在2012年出版的《太空编年史：面对终极前沿》（Space Chronicles：Facing the Ultimate Frontier ）一书中探讨了这个思想。他当时和现在的立场都是：我们没有合适的经济环境来推动人类在月球、火星或太阳系其他地方定居。[5]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 没错，这就是火箭科学
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那么，我们怎样才能降低进入太空的成本呢？如果根据齐奥尔科夫斯基的火箭方程，几乎没有讨价还价的空间，要么提高燃料效率，要么减少质量。火箭已经由轻质材料制成；通过火箭分级，已经将空的燃料罐抛掉以减轻质量。没有更多的质量可缩减。在燃料方面也没有太大可改进的地方。的确存在许多构思精巧的雏形，比如离子驱动，但它们只有进入太空后才会起作用。要飞出地球的引力井，你需要很大的推力。
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核能可以做到。猎户座计划（Project Orion）就是使用核动力火箭系统，从而用很少的燃料发射质量很大的火箭，本质上可理解成核裂变炸弹的可控爆炸。著名物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）在20世纪50年代末参与领导了这个计划。核燃料是一个自然的选择，因为它的威力、它的小巧廉价、它为潜艇提供动力的计划，以及它在军事领域的广泛使用（军事领域是核动力应用的决定性领域）。火箭由爆炸产生的冲击波推动。从理论上来说，核动力的潜力是惊人的：Δv 可达每秒数百公里，其能量足以让你在1周内到达火星，并在150年内到达最近的恒星——半人马座α星（Alpha Centauri）；设计上允许1/4的质量是有效载荷，剩下的分配 给火箭、核发动机以及保护乘组人员免受喷出的核碎片伤害的必要防护。猎户座火箭系统最大的问题是，如果火箭在发射时爆炸，受到核辐射危害的可能性就很大。戴森认为我们可以解决这些问题，但这个计划在20世纪60年代初被取消了。[6]
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随着核能方案的放弃，至少是放弃了核发射方案，工程师们很早以前就开始使用化学推进剂。这种推进剂的推进效率不高，需要大量的燃料质量来提升一点点火箭质量，推进剂与火箭的质量比大约为9∶1。目前用于发射的最常见的化学推进剂是液体燃料：液氧（LOX）和火箭推进剂-1（RP-1）的混合物，后者是一种高度精炼的煤油；液氧和液氢的混合物；还有四氧化二氮（N2 O4 ）和肼（N2 H4 ）。在各种情况下，我们都是把一些极具爆炸性的东西和氧气结合在一起，因此我们需要携带氧气，因为上层大气中的氧气太少，不足以支撑爆炸。这些燃料混合物50年内几乎没有什么变化。在这些燃料中，液氢液氧混合燃料产生的排气速度最大，代入齐奥尔科夫斯基火箭方程的数值是4.4千米/秒［注意，在火箭方程中，排气速度有时用比冲来替代。两者是相关的：比冲（Isp ），是排气速度（vexh ）除以重力（g）；因为地球上的重力大约是10米/秒2 ，你会看到Isp 大约是vexh 的1/10。你可以将火箭方程用于月球、火星或任何天体，只要把那个天体的引力代入方程即可］。
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有一些实验性推进剂有希望获得高比冲，但仍有一些障碍要克服。三硝胺［N（NO2 ）3 ］，发现于2010年，可将燃料比冲提高20%～30%，但是它不稳定，难以处理。一种名为ALICE的铝-冰推进剂比其他化学推进剂燃烧更清洁，对环境更有利，但比冲没有其他的好。金属氢[7] 是目前存在的最强大的火箭燃料——现在似乎已经出现了。由物理学家艾萨克·西尔韦拉（Isaac Silvera）领导的哈佛大学科学家发明了这一技术，被许多人称为改变了游戏规则的巨大进步。[8] 如果金属氢听起来很奇特，那是因为它确实很奇特。要把氢变成液体已经够难了，不要说变成固体，更不要说变成金属了。这些物质很可能存在于木星核的高压之下，但还没有人直接探测到它。哈佛大学的研究人员通过挤压钻石砧上的氢原子，在非常低的温度下制造出了金属氢。在制造金属氢的成本有多低，或者储存起来有多安全方面，人们有着诸多精测；从理论上来说，金属氢一旦形成，在更高的温度下也可能是稳定的。不过，所有人都一致认为，金属氢推进剂将打破任何其他化学火箭燃料的纪录。事实上，金属氢的能量非常之大，在燃烧时需要用水切割来降低温度。根据西尔韦拉的说法，金属氢的比冲为1700秒，即排气速度超过16千米/秒，是目前使用的最好推进剂的4倍。这将大大降低发射成本，不过这还取决于金属氢生产和存储的难易程度，这是两个最大的未知数。这种推进剂的威力大到采用单级火箭就足够了，从而又减轻了火箭自身的质量。[9] 如果你将比冲提高4倍，你就可以减少燃料质量，并将有效载荷增加到原来的100倍。
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然后是核聚变。是不是很好？核聚变是太阳的能量来源。太阳核心的高压高温将氢聚变成氦，在此过程中释放出大量的能量。记住，裂变是原子的分裂，是原子核分裂成更小、更轻的原子核的过程，例如铀235 在反应中分裂成氪92和钡141（92和141相加，得到233，而不是235，失去的质量转化为能量）。
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氢聚变比裂变威力大得多，而放射性小得多。而且，这种类型的辐射是短暂的。唯一的问题是，进入原子时代已经80年，我们仍然不知道如何在没有核裂变的帮助下产生聚变能。这就是所谓的热核武器，即一个裂变炸弹产生的热量和压力足以产生更大破坏力的核聚变反应。
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没错，通过核聚变可以产生一种极好的火箭燃料，特别是用于深空旅行。那时你就可以抛弃齐奥尔科夫斯基的火箭方程，因为在核聚变经济中一切都在改变。有了无限、廉价的能源，你可以把沙漠变成绿洲，可以照亮地下世界，可以造出高得可以让你走进太空的建筑。这将是一个与火的驯化同等重要的事件。让各路神仙见鬼去吧。
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在接下来的10年里，我们很可能无法期待在火箭推进剂方面取得任何革命性的进展。如果没有推进剂的改进，我们对齐奥尔科夫斯基火箭方程的质量要素就无能为力。只有以最轻的元素氢作为燃料，结构上采用又轻又耐用的金属，火箭才能造得尽可能的精干。为了降低进入太空的成本，企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）和他的公司SpaceX转而专注于火箭的研制。燃料，虽然我们需要很多，但在发射成本中只占很小的比例，只有数十万美元而不是数百万美元。成本最高的是火箭本身。那些举起火箭并在燃料耗尽后被抛弃掉的高科技火箭助推器就可以白白浪费了？它们的售价每台约5000万美元。马斯克曾表示，助推器的成本约占SpaceX发射成本的70%。因此，SpaceX在火箭的生产和再利用方面看到 了节省成本的空间。该公司已经证实了这项技术的可行性，以可控的方式让助推器着陆，并在几个星期内重复使用。
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 作为火箭研发新驱动力的私营企业
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发射火箭就像驾驶一架747喷气式飞机，使用一次后就将其摧毁，然后为下一次飞行再造一架新的747。在这种情况下，票价往往会很高。但这就是运载火箭的历史：火箭就是把货物运到太空的导弹，而不是带着炸弹飞向敌人的导弹。NASA和俄罗斯的太空计划自创立以来就与军方联姻，因此它们依赖导弹。1958年，德怀特·D.艾森豪威尔总统创建NASA的时候，显然是将它作为一个民用机构，但实际上，NASA是在美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）和美国陆军弹道导弹局（Army Ballistic Missile Agency，ABMA）的基础上建立起来的。后者聘用了沃纳·冯·布劳恩，一位被俘的德国科学家，曾经领导了希特勒的导弹计划，带着他现成的火箭设计被转移到了亚拉巴马州。[10] NASA的大多数试飞员和宇航员都来自空军。20世纪60年代，NASA就像是五角大楼的第六角，看看他们的发型就能证明这一点。五角大楼发射导弹的时候根本就没想着要回收它们。
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然而，重复使用火箭部件并不是什么新鲜事。这就是NASA航天飞机背后的理念。按照设计，航天飞机要滑翔回地球以便再次发射。将航天飞机送入太空 的两个助推器将落入海洋，然后从海里将它们回收，翻新后再利用。20世纪70年代初，这些想法在纸面上看起来不错。但在现实中，助推器每次发射时都被严重损坏，翻新比建造新助推器还要昂贵。[11] 更糟糕的是，工程师们被死板的航天飞机项目安排所束缚，为了重复使用助推器，每次发射都增加了相当大的成本——大约5亿美元。国会为了进行政治分肥，把航天飞机的部件合同分给自己的选区，包括从佛罗里达到华盛顿的各个地区，造成了不必要的复杂且昂贵的物流，进一步增加了运营成本。毕竟，这是一种创造就业机会的方式——也就是说，给选民提供工作。总的来说，航天飞机项目每次发射的最终成本大约是15亿美元。[12] 就连NASA自己现在也承认这个项目是个错误。[13] NASA局长迈克尔·D.格里芬（Michael D. Griffin）表示，如果把我们送到月球的“土星”火箭计划能继续下去，那么以航天飞机一次发射的费用，它能完成每年六次的载人发射。“如果当时这样干了，我们现在就登上火星了，而不是在纸面上把它作为一个‘未来五十年’的事情来规划。”格里芬在2008年写道：“我们本应当有几十年在地球轨道上长期运行太空系统 的经验，以及几十年探索和学习利用月球的经验。”[14]
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航天飞机项目太令人费解，苏联科学家认为航天飞机是用来实现太空军事化的东西，因为哪个理智的政府也不会以科学的名义，在这样一个有缺陷且不切实际的设计上投入这么多钱，而且当时还有更有效的方法来得到所需的科学成果。航天飞机项目把苏联人吓呆了。[15]
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我离题了。SpaceX的目标是通过运用基本的商业智慧，来避免NASA航天飞机项目的错误：创建一个合理的供应链，尽可能地削减成本。精益生产、纵向合并、扁平化管理（也就是开放沟通），这些都是硅谷初创企业的特征，但航天界从未采用过这种公认的方式。由波音公司和洛克希德·马丁公司组成的联合发射联盟（United Launch Alliance，ULA），主要为美国军方生产“德尔塔”（Delta）和“阿特拉斯”（Atlas）运载火箭。该联盟几乎没有动力降价，原因有以下几个：没有竞争、主要客户资金雄厚，以及希望实现利润最大化的股东。考虑到NASA、军方、波音和洛克希德·马丁之间根深蒂固的关系，SpaceX和其他初创公司想要参与这些利润丰厚的合同将是一场艰苦的斗争。新来者不仅需要发射价格更便宜（对于NASA和商业卫星），还需要有可靠性，而联合发射联盟在这方面做得非常出色。
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SpaceX拥有从零开始、灵活机动的优势，而联合发射联盟则可能因为固守旧模式而停滞不前，无法快速创新，就像福特和通用汽车一样。福特和通用汽车都被丰田打了个措手不及。SpaceX拥有“猎鹰”（Falcon）系列运载火箭和“龙”（Dragon）系列飞船，以及一款已经研发了好几年的重型火星运载火箭样机BFR［BFR字面上代表“大猎鹰”火箭（Big Falcon Rocket），但F似乎还有其他含义。不管怎样，马斯克在2018年11月修改了这个名字，将一级即助推级称作“超级重型火箭”（Super Heavy），上面级即航天器级称作“星舰”（Starship）］。SpaceX采取了很多聪明的办法来削减“猎鹰”运载火箭的成本。例如，“猎鹰9号”的两级都使用相同类型的推进剂，具有相同的直径，并且使用同一种铝锂合金制造，这就节省了设计以及组装、翻新所用加工工具的费用。“猎鹰”火箭采用“梅林”（Merlin）火箭发动机提供动力，该发动机可以追溯到阿波罗时代，其可靠性经过了太空飞行的考验。今天的大多数火箭发动机使用喷头型喷注器板向燃烧室喷射燃料和氧化剂；而“梅林”发动机使用一种叫作针状喷注器的东西，这种针状喷注器既便宜又不容易造成燃烧不稳定，而燃烧不稳定正是火箭在发射时爆炸的主要原因。其他方面，SpaceX通过回收零部件以降低成本，说白了就是使用闲置在NASA和军事基地里的巨型燃料箱、旧的轨道车等东西。该公司自己制造或翻新大部分零部件，以绕过航天市场固有的哄抬价格的陷阱。
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