本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
随着 NASA 和其他航天机构继续进行人类的行星际侦察，一件事变得非常清楚：总的来说，太阳系是一个相当潮湿的地方。水，主要以冰的形式存在，几乎潜伏在我们所看到的任何地方。月球、火星，甚至在炙热的水星上，深极陨石坑寒冷阴暗的坑底都有水沉积物。水在远离太阳的地方更加丰富，构成了大量矮行星、卫星和小行星的大部分地壳，甚至偶尔形成地下海洋。
行星科学家经常充满热情地谈论所有这些水如何提高我们太阳系中存在外星生命的可能性；但很少讨论的是，它如何提高将人类生命带到远离地球的可能性。水将成为我们存在于任何地方的基石，当然，也许会以超出你意识到的方式。所有这些地外水的杀手级应用不仅仅是饮料和沐浴——它也是火箭燃料。
水已经通过其化学成分氢和氧作为火箭燃料。今天，性能最高的火箭发动机燃烧液氢和液氧，产生非常热的纯水尾气，从而推动它们在太空中前进。这种火箭非常复杂且昂贵，需要低温储罐来防止液氢和液氧沸腾。它们也是非常成熟的技术，其性能处于化学推进可能实现的极限。在成本和范围方面，它们的增长空间有限。幸运的是，还有另一种使用水为火箭提供燃料的方法，这种方法不需要低温储存，并且具有巨大的进一步发展潜力。普通的水，结合电推进，具有化学火箭根本无法比拟的许多优势。
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电动水引擎通过使用电力以高速通过排气喷嘴加速水蒸气来产生推力。这种电力基本上可以通过航天器上太阳能电池阵列吸收的阳光免费产生。从那里，它可以用来产生微波或其他电磁力，加热和加速水蒸气。各种各样的电推进技术都可以用于这种形式的火箭。
为了理解为什么电动水火箭为太空旅行提供了革命性的前景，请考虑 500 天往返火星卫星的旅程的设计者面临的挑战。为了到达那里并返回，每一千克质量——宇航员、他们的生命支持系统和他们的航天器——都需要许多、许多千克的火箭燃料。因此，任务规划者无情地减少质量，通常是通过牺牲生命支持系统的稳健性和最小化饮用水和食物的量来实现的。减少质量过多，你会危及你的船员。减少质量过少，你就会太重而无法到达任何地方。对于 500 天的火星任务，每位宇航员可能只有大约 5 吨水用于饮用、洗澡和清洁。非常短的淋浴可能是每周的奢侈品。
水燃料电动火箭可以改变这场游戏的规则，并改变太空飞行的经济性，因为它允许大部分船员的储水也兼作推进剂。
将大量死重转化为有效质量带来了许多优势。将水用作推进剂意味着船员拥有大量的水储备，大大提高了安全边际。例如，如果航天器的氧气供应出现问题，其大量水库中的一小部分可以被电解以补充多年的氧气，从而为深空救援或延迟返回地球留出时间。此外，水还可以带来另一个好处，即被保存在船员舱周围的罐中，以充当抵御宇宙辐射的屏障。即使所有这些水都很重，但它将带来如此显着的整体质量节省，以至于它可以使任务的质量只有化学火箭同类产品的一小部分，从而大大降低了将补给发射到地球轨道的高昂成本。
最终，我们设想可以开采来自太阳系周围外星地点的水冰，并将其用于为深空电动水动力飞船补充燃料，从而创建“行星际水坑”，这将促进太空经济和基础设施的进一步发展。谷神星拥有巨大的水库和低重力，是一个特别有趣的目的地。
这一切听起来可能好得令人难以置信，但大量数据证实了电动水火箭的基本前景。对几种可能的发动机类型进行的测试，例如微波电热推进器、无电极 洛伦兹力推进器和螺旋双层推进器，表明它们在使用水或废气作为推进剂时，可以产生比最好的化学火箭高两到十倍的排气速度。这些更高的排气速度转化为更高的燃料效率，从而为任何行星际旅行带来更大的成本节约。然而，虽然这些发动机具有高排气速度，但它们产生的推力很小。这使得它们不适合直接从地球发射到轨道，但它们非常适合长途太空旅行，因为所涉及的巨大距离允许速度缓慢积累到惊人的速度。
开发电动水火箭只是人类进一步向外太空扩张所需的一小步；接下来需要的是一个巨大的飞跃，一个将我们从一次性火箭带到完全可重复使用的行星际航天器的飞跃。如果航天器只使用一次然后被丢弃，那么减少航天器的质量只会提供最小的成本节省。如果我们的机票价格包括建造飞机，那么我们很少有人会飞往旅游胜地！多次使用车辆是降低票价的关键，然而，一次性航天器的浪费性范式在整个人类航天史上一直占据主导地位。（美国宇航局引以为豪的航天飞机，唉，只是部分可重复使用，需要进行广泛而昂贵的飞行后翻新，这抵消了任何可能的成本节省。）
为了开辟前进的道路，我们可以借鉴过去的相关例子。在太空时代初期，许多专家预测，坚固耐用的宇宙飞船，例如恩斯特·施图林格的宇宙蝴蝶号，有朝一日会像任何海轮一样在行星之间航行。它们将始终停留在太空中，就像轮船停留在海中一样，在报废或回收之前多次使用，船员和乘客由小型飞船来回运送。正是这个系统使得朝圣者能够在 1620 年租用一艘老旧的商船“五月花号”，将他们航行到新大陆。几个世纪后，在铁路出现之前，驿站马车是跨越美洲大陆的人员和货物的主要运输工具。
为了纪念那些务实的时代，我们提出了开发“太空客车”的建议，这是我们对完全可重复使用的水动力太阳能电动行星际航天器的命名。使用水和电动引擎以及航天器的可重复使用性的协同作用表明，这种方法应该比当前政府扩大人类外星存在的计划便宜得多，因此也更可行。我们相信，这是一种可行的方法，可以为那些永远无法负担得起当今有限且极其昂贵的一次性选择的国家和机构开放太空飞行。
虽然可重复使用的行星际航天器的想法可能看起来像是一个巨大的技术飞跃，需要几十年才能实现，但建造太空客车所需的组件技术已经存在。太阳能、电力推进和可充气结构都是成熟的技术，正在积极开发中，并且已为太空做好准备。通过开发优雅、廉价的太空客车来利用太阳系丰富的太阳能和水资源，也许像 17 世纪的朝圣者这样的未来群体可以获得重新开始并建立外星殖民地的机会。
Brian McConnell 是一位作家、工程师和技术企业家，居住在旧金山。Alex Tolley 是一位退休工程师、大学讲师和 MOOC 设计师，居住在中央山谷。有关太空客车概念或他们即将出版的施普林格出版社书籍的更多信息，读者可以访问 www.spacecoach.org