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