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火箭和质量驱动器都有望将人类送入太空，但哪种方式能让我们走得更远、更快、更智能，
且成本更低？
今天，我们不仅要比较两种发射系统，还要比较两种太空旅行的基本方式——火箭技术和质量驱动器。我们将探讨每种方式的优缺点，因为两者都有各自鲜明的优势和劣势。大多数人已经对火箭相当熟悉，但质量驱动器是一个不太常见的术语，所以首先让我们简要介绍一下质量驱动器。质量驱动器的范畴相当广泛，包括化学动力火炮和轨道炮，但就我们今天的讨论而言，我们将重点关注被称为直线电机的这一类别。这种电磁推进系统旨在沿着一条长轨道将物体或有效载荷加速到高速。它通过电能产生电磁力来推进有效载荷，将其送入轨道或送上不同的轨迹。因此，利用质量驱动器加速的有效载荷不需要消耗机载推进剂，避免了火箭方程的复杂性。这种有效载荷可能是一个货运舱，我们通常将其想象成一艘航天器，它配备了推力装置和少量机载燃料供应，以帮助其达到轨道速度并在太空中机动，就像航天飞机曾配备轨道机动发动机来实现这一目的，以及之后重新进入大气层着陆一样。要用于太空发射，质量驱动器需要具备四个关键特性。
第一个特性：低机械摩擦
理想情况下，其有效载荷应沿着轨道滑行，无需直接物理接触。这使得它能够实现高重复使用率，而无需因磨损而停机进行翻新。
第二个特性：低大气摩擦
理想情况下，质量驱动器应在近真空环境中运行，因为在稠密空气存在的情况下，高速会产生显著的阻力和热量。这使得它们非常适合月球等无空气的天体，但在地球或火星等有大气层的天体上，质量驱动器要么必须位于非常高的海拔处，例如火星最高的山——奥林匹斯山山顶；要么如果无法实现这一点，发射轨道需要封闭在一个真空管道中，直到达到大气层足够稀薄的高度，航天器才能继续向上穿过大气层进入太空。
第三个特性：加速度与轨道长度相关
出口速度等于加速度与轨道长度乘积的两倍的平方根，因此出口速度取决于加速度和轨道长度。由于存在平方根关系，要使速度翻倍，你需要将加速度提高到原来的四倍、将轨道长度延长到原来的四倍，或者同时将加速度和轨道长度都提高到原来的两倍。同样，要使速度变为原来的三倍，可以同时将两者都提高到原来的三倍，或者将加速度或轨道长度提高到原来的9倍（即3的平方）。因此，如果有效载荷能够承受极高的加速度，质量驱动器可以做得很短；但如果需要温和地加速有效载荷（例如载人质量驱动器的情况），质量驱动器就需要做得很长。质量驱动器需要在让有效载荷承受过大加速度与自身过长且可能成本更高之间找到一个可接受的平衡点。
第四个特性：与牛顿第三运动定律相关
作用力与反作用力大小相等、方向相反。火箭通过喷出燃烧后的推进剂来加速，这些燃烧后的推进剂就是火箭的反作用力质量。而质量驱动器通常固定在行星天体上，因此当它加速飞行器时，反作用力质量是整个行星天体的质量。质量驱动器依靠行星的固体质量来产生推力，就像我们走路或跑步时所做的那样——我们依靠地球的质量来推动自已前进。我们可以（而且很可能会）让质量驱动器以高加速度运行，尤其是用于货运舱时；但长距离、低加速度的质量驱动器使我们能够在需要的情况下实现低加速度，例如对于那些因健康状况限制而无法承受高加速度的太空游客，或者对加速度敏感的货物。火箭的飞行过程也较为颠簸，而质量驱动器的运行通常比火箭更平稳、更稳定。如果质量驱动器以4倍重力加速度（4G）运行，那么到达低轨道速度的行程仅需199秒，即略超过3分钟，轨道长度为482英里（775公里）；以9倍重力加速度（9G）运行时，到达低轨道速度的行程将持续88秒，轨道长度为214英里（345公里）。这个9G的限制大约是大多数人能够承受的最大值，而且即使如此，也只有身体健康的人才能在短时间内承受。然而，加速度更高、轨道更短的质量驱动器可用于将货物或其他物资送入太空。大量货物可以承受100G甚至400G的加速度，相应的发射持续时间分别约为8秒和2秒，轨道长度分别为19英里（31公里）和5英里（8公里）。不过，在地球上，你很难找到基于400G加速度设计的质量驱动器，因为所需的轨道长度太短，无法有效穿越大气层。但在月球上，由于没有大气层的阻碍，一个400G的质量驱动器仅需约360米（1181英尺），即四分之一英里长的轨道，就能以1680米
秒的速度将有效载荷送入月球轨道，这大约是地球轨道速度的五分之一。同样，在火星上沿着奥林匹斯山一侧建造的轨道也是可行的。质量驱动器在月球相关概念中尤其受欢迎，可用于将月球上的燃料、散装金属或开采的岩石送入太空。其工程挑战更容易应对，还能避免与发射台和月尘相关的问题。质量驱动器也适用于小行星，采矿者可以利用它们将物资送回地球。它们还可以在行星之外使用，将航天器加速到星际速度，甚至为其减速——不过后者是一个相当复杂的话题，我们今天暂不深入探讨。稍后，我们还将进一步探讨其工程设计和经济性。
现在，让我们把焦点转向火箭。火箭技术的基本原理是动量守恒。动量等于质量乘以速度，因此如果将物体的速度翻倍，其动量也会翻倍。由于动量必须守恒，任何动量的增加都会被其他地方大小相等、方向相反的动量变化所抵消。当你蹬地跳跃时，你实际上会给地球一个相反方向的相同动量；然而，由于地球的质量大约是人类的1000亿万亿倍，它获得的速度只是我们的极小一部分。在太空真空中，没有可借助的施力物体，因此火箭通过从尾部喷出物质来推进自身。这种推进剂可以是任何物质，但在化学火箭中，它通常是燃料燃烧后的废气。推进剂从火箭尾部喷出的速度被称为排气速度。一般来说，废气温度越高，其分子运动速度就越快；在相同温度下，分子质量越轻，运动速度也越快。例如，一些火箭使用氢气和氧气作为燃料，氧原子的质量是氢原子的16倍（氢原子的质量约为1原子质量单位，1原子质量单位约等于一个质子或中子的质量）。在相同温度下，单个氢原子的运动速度是氧原子的4倍，因为16的平方根是4。虽然由于温度带来的高速度，原子氢本可以成为一种极佳的推进剂，但大多数火箭的废气粒子质量更重。例如，在氢氧火箭中，废气主要是水（18原子质量单位）；而在使用煤油（RP-1）等碳氢燃料的火箭中，废气包括水和二氧化碳（44原子质量单位）。在相同温度下，这些质量更重的分子的运动速度明显慢于单个氢原子。它们是燃烧过程的产物，为火箭推进提供能量；而单个原子或小分子则需要通过核灯泡或微波束等方式加热，这些都是我们在其他地方讨论过的话题，如果你感兴趣可以进一步了解。如前所述，在相同温度下，分子质量越大，运动速度越慢。因此，当二氧化碳分子以1000米
秒的速度运动时，水分子的运动速度为1563米
秒，而单个氢原子的运动速度则高达6633米
秒。如果我们设想一种驱动装置，它只是一个大型微波装置，将推进剂加热到燃烧室在不熔化的情况下所能达到的最高温度，并且其能量来自瞄准它的微波束，那么我们显然会选择氢作为推进剂。我们也可以通过离子驱动器中的激光来实现这一点——离子驱动器利用电磁力将离子作为推进剂喷出，其原理类似于一个小型质量驱动器。燃料和氧化剂通常与太阳能或核能等能源一起携带，而离子则作为推进剂。这一点非常有用，因为在这里以及在大多数核驱动装置等非燃烧驱动装置中，你的废气或推进剂可以是高温且高速的氢，而不是质量更重的燃烧产物（通常是水和二氧化碳，与燃气汽车的废气成分相同）。
火箭面临的一个关键挑战是需要同时携带燃料和氧化剂。与汽车和飞机不同，汽车和飞机从大气中获取氧气，而随着海拔的升高，空气会变得稀薄，使得依靠大气中的氧气变得不切实际。虽然一些吸气式设计（如协同吸气式火箭发动机，SABER）可以同时作为喷气发动机和火箭发动机工作，但大多数火箭都需要自行携带氧化剂。与氢相比，氧气的质量较重，在氢氧火箭中，燃烧氢和氧气时，燃料仅占总质量的约11%，而氧化剂占89%。氢的低密度和储存挑战往往使其不如煤油（RP-1）受欢迎。煤油是一种碳氢化合物混合物，氢含量约为15%，燃烧时会产生二氧化碳和水。虽然其效率低于氢氧燃料，但它更易于处理，并且与氧化剂搭配使用时能提供不错的性能，不过其排气速度明显低于纯水，更不用说单个原子了。火箭面临的另一个限制是其所能承受的高温。氢氧火箭在真空中的排气速度约为4400米
秒，而RP-1火箭的排气速度为3300米
秒，但两者的废气温度都极高，可达67000华氏度（4000开尔文）。这些速度仍然低于进入近地轨道所需的7800米
秒（17500英里
小时）。将物体的速度翻倍需要四倍的能量，而携带额外的燃料会增加重量，这些重量也需要被加速，从而进一步降低效率。
齐奥尔科夫斯基火箭方程表明，要使速度翻倍，所需的燃料量是原来的e2倍（其中e为自然常数，约等于2.718），这意味着你需要大约7.39倍的燃料才能使速度翻倍。要使速度变为原来的三倍（这需要九倍的动能），你需要e3倍的燃料，约为20.9倍。要使速度变为原来的四倍，需要e?倍的燃料，约为54.6倍；要使速度变为原来的五倍，需要e?倍的燃料，约为148倍。这就是我们所说的“火箭方程的暴政”。当在有巨大物体（如行星）可借助施力时，提高速度所需的能量与速度的平方成正比。例如，将速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍，所需的动能分别为原来的4倍、9倍、16倍、25倍和36倍。然而，对于火箭来说，所需燃料的增长比例是e2、e3、e?等，这意味着速度提高2倍、3倍、4倍、5倍或6倍时，所需燃料分别为原来的7倍、20倍、55倍、148倍和403倍。要达到20倍的排气速度，火箭需要的燃料量约为初始燃料量的500万倍，而使用传统火箭燃料，其速度只能达到70至90公里
秒，即使以这样的速度，前往半人马座阿尔法星仍需要15000至19000年，并且需要消耗不切实际的大量推进剂。化学燃料不适合星际旅行，这就是为什么我们要探索原子火箭等概念——更多相关内容，请查看关于猎户座驱动器或美杜莎驱动器的eisodes。不过今天，我们的重点是离开地球，前往离地球相对较近的目的地，如地球同步轨道、月球和火星。
我需要强调的是，质量驱动器是一项远不如火箭成熟的技术。人类已经花了近一个世纪的时间来完善火箭技术——2026年将是戈达德实验的100周年纪念。而质量驱动器在该领域相对较新。杰拉尔德?K?奥尼尔和他的一些合作者，如亨利?科尔姆、比尔?韦顿、比尔?斯诺和凯文?费恩等人，在20世纪70年代末的一个实验室中开发了一些线圈炮原型。用于从航空母舰上发射飞机的直线电机，即电磁飞机弹射系统，于2009年进行了原型测试，并于2015年安装在第一艘航空母舰上。因此，火箭具有巨大的先发优势，但随着我们对太空探索需求的增长，火箭的替代方案也变得越来越有吸引力。SaceX等公司最近的进展刺激了太空经济的发展，而这一切都是通过火箭实现的，但这种不断增长的需求最终可能会推动质量驱动器和其他非火箭发射系统的发展。与质量驱动器相比，火箭的前期成本（资本成本）更低，但运营成本更高，因此在太空探索需求有限的情况下，火箭在经济上更具吸引力。质量驱动器通常被认为是一种资本成本高但运营成本低得多的技术——一旦建成，它们可以频繁发射有效载荷，且每次发射的成本仅为火箭的一小部分，这使得它们非常适合高吞吐量的运营，例如将数百万人或数百万吨货物送入太空。这不仅仅是能源成本的下降——事实上，燃料在现代火箭的成本中占比并不大。火箭有许多复杂的系统，这些系统必须在接近故障点的状态下运行，且冗余度极低，以减轻重量。正是为了实现极高的性能和相对于组件重量的可靠性，才使得火箭的成本居高不下。而质量驱动器是固定的基础设施，更像是桥梁或隧道，因此可以采用更保守的工程设计。
另一个推动变革的因素是，我们越来越需要寻找替代那些严重依赖化石燃料或温室气体排放量高的技术。质量驱动器可以由清洁的可再生能源提供动力，如太阳能、核能或水力发电。太阳能在太空环境中尤其具有优势，例如在月球两极，太阳能资源丰富且可持续。利用质量驱动器技术，实现太空发射的电气化具有明确的发展路径，因为质量驱动器能高效地将电能转化为动能——而这对于长途航空旅行等领域来说目前还无法实现，因为电池的能量密度还远不及航空燃料。在地球上，发射过程中温室气体排放的减少可能会使质量驱动器成为火箭的一个有吸引力的替代方案，因为我们正在寻求更环保的发射方式。
安全性是质量驱动器的另一个显著优势。火箭携带大量挥发性推进剂，在发射过程中可能会带来重大风险。它们过于危险且噪音巨大，无法靠近人类居住区。这就导致了一系列旨在确保公众安全利益得到持续优先考虑的法规，但发射提供商可能会认为这些法规繁琐不堪。此外，人们还必须从发射台周围和下风向区域疏散。而使用质量驱动器发射的航天器不太可能偏离轨道，因为航天器是沿着轨道飞行的，而且它们携带的燃料很少，这显著降低了在人口密集地区发生爆炸事故的风险。
当人们猜测为什么我们还没有使用质量驱动器来发射航天器时，他们有时会提出一些担忧，例如建造长距离真空管道的难度，或者航天器从发射管道到太空边缘的飞行路径问题，但针对这些问题，已经提出了合理的解决方案——至少在理论上，这些解决方案并不违反任何物理定律或工程原理。即使质量驱动器发生灾难性故障，导致部件从空中坠落，也可以通过安装降落伞或将其建在远离人口密集地区的地方来解决，将其建在海洋中也是一个选择，这样可以避免诸如土地征用等其他问题。
真正尚未解决的问题是，我们最有经验的那种直线电机，当试图将其升级到太空飞行所需的速度时，成本会变得非常高昂。这个问题与能量快速转换的成本有关——通常在质量驱动器中，储存的电能会迅速转化为动能。假设我们希望将一个有效载荷以恒定加速度从0加速到8000米
秒：将1千克的物体从0加速到1米
秒仅需要0.5焦耳的能量；而将同样1千克的物体从7999米