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为什么把人送上火星要用三级火箭?

2018-12-07 17:48 来源: 虎嗅APP

为什么把人送上火星要用三级火箭?

火星是人类的下一个目的地,这句话一说就是将近半个世纪。人们已在着手准备重返月球,同时也仍渴望着登上火星。但火星不是说去就能去,飞到月球要 3-4 天,火星则需要至少 9 个月。首先,人类需要一枚史上最强大的运载火箭。

NASA 正在研发名为 SLS(空间发射系统)的巨型运载火箭,可向深空轨道发射 45 吨载荷,它拥有两个固体推进器,还在芯级(第一级)之上增加了一个上面级(Upper Stage)。SpaceX 开发中的 BFR 火箭,则是一级火箭加上一个巨大的太空船,进入太空后它可以和另一艘太空船对接来补充燃料,再向着更远的深空飞行。

为什么把人送上火星要用三级火箭?

听上去似乎挺复杂?其实它们的基本原理,和当年负责“阿波罗”登月的“土星五号”相通,后者是一枚标准的三级火箭:烧完一级抛弃一级。逐级减轻重量,来提高最终速度,而最终速度决定着任务距离和运载能力。但为什么火箭要做成好几级?这是一个乍一看理所当然,背后却很复杂的学术问题。

早在 1903 年,俄国火箭专家、被誉为“航天之父”的齐奥尔科夫斯基提出了著名的“理想火箭方程”,他推导出一个结论:提高火箭的输送能力,要么提高推进剂的能量(学术上叫比冲),要么减轻火箭的结构重量。齐奥尔科夫斯基同时还首次提出,可以建造“用完一级扔一级”的多级火箭。这一构想在几十年后,人类太空探索时化为现实,并一直应用到今天。

为什么把人送上火星要用三级火箭?

用不上就甩掉它

能量和重量的这一对矛盾,不止困扰着航天事业,如果你仔细回忆,它其实在方方面面制约着我们拥抱新技术新生活。最简单的例子,我们手中的手机自从进化到智能时代,就从来没有让使用者放心它的续航能力。如今迅猛发展的电动汽车迟迟不能普及,同样锂电池难以支撑足够长的续航里程。

为什么把人送上火星要用三级火箭?

因为锂电池和汽油不同,它要比油重得多。汽油车可以无所顾忌的将大油箱加满油,即可获得惊人的续航能力,付出代价不过是几十上百千克重量。而电动车的锂电池组动辄数百千克,盲目增加电池会导致能耗水平增加。在能量密度不变的前提下,电池容量即 kWh 数字不可能无限增长。

一味增加电池容量,也并不是一个有利无害的解决方案。沉重的电池组会让整车重量水涨船高,而重量增加会推高车辆的能耗。所以每增加 1kWh 电池,所能提高的续航里程会越来越少,这在经济学中叫作边际效应递减。增加电池对续航的提升效果会越来越弱,更不要说能耗被推高并不符合高效环保的理念。

和多级火箭的理念类似:用不上的重量,那就甩掉它。

成本与续航的矛盾之痛

当然,绝不是说用户每天通勤 50km,电动车就可以只装 10kWh 电池,用户不可能永远没有远距离出行的需求。问题是锂电池不只是更重,还更贵。对于一辆纯电动车,电池组的成本能够达到车价的 1/4 甚至更多。

在汽油车时代,续航从来不是区分一辆车级别高低的指标,百万豪车未必比几万元小车跑得更远。但在电动车时代,更大的电池容量意味着更高的成本,于是往往昂贵的电动车才能拥有更好的续航体验。

为什么把人送上火星要用三级火箭?

特斯拉可以尽情使用高达 100kWh 电池组,奥迪、捷豹也纷纷用上 80-90kWh。那么普罗大众的普通消费者呢?在有限的预算下,他们就只有忍受小电池带来的短续航之痛,这样一种选择吗?

由于电池容量大小直接决定着车的级别与价格,对预算有限的普通消费者来说,每 1kWh 电池组都是自己掏出人民币消费而来,理论上自然是物尽其用最划算。即便是北京,家用车平均每日通勤里程也不过 45km。如果盲目选择大电池容量的昂贵电动车,却天天陷在城市通勤而无法完全利用,对他们来讲不能不说是一种浪费,一次不划算的投资。

如何平衡以上这些矛盾,有没有可能让用户花一分的钱,买到“一分的续航”,却仍保留获得“两分续航”的机会?有没有可能在平时扔掉多余的沉重电池,再在需要的时候找回来?

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为什么把人送上火星要用三级火箭?

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