第 4.9 节：第 5A 阶段 - 月球开发（第 2 页）
这些项目包括完全在月球表面或附近运行的运输系统，以及那些基于月球表面但运送到轨道或更远目的地的系统。
- 地面车辆
这从用于科学和勘探目的的漫游车开始，这些漫游车由地球上的远程控制。它们发展为采矿和建筑车辆，这些车辆仍然是远程控制的或智能到足以自操作。一旦人们开始定期地驻扎在月球表面，我们将添加无压和有压的机组人员运输，并最终添加用于长时间停留的移动居住地。尽管月球表面有充足的太阳能，但对于大型车辆来说，它很笨重。因此，长距离移动运输很可能包括一个充电站网络，车辆上装有足够的太阳能电池板作为备用电源。阿波罗月球车在没有道路的情况下总共行驶了 90 公里，但对于更长的距离，可能需要建造道路来克服障碍，或者采用与车轮不同的方法。可能性包括腿式系统或索道来克服崎岖的地形。月球尘埃管理可能需要防止机械部件磨损和积聚，并防止尘埃进入机组人员区域。长距离点对点旅行可以通过弹道运输更有效地完成。这将需要充足的推进剂供应。任何超出现有行星漫游车经验的东西都将需要先进的研发。
- 月球弹射器
这些系统旨在将散装材料加速到轨道速度。它们不适合人员或敏感货物，因此可以使用高加速度。这使得它们可以非常紧凑。通过发送许多较小的有效载荷，每个有效载荷所需的能量更小。有效载荷被收集到更大的载荷中，用于货运拖船。有效载荷可能包括未经加工的岩石或成品材料，例如金属或推进剂。两种基本的设计方法，离心式和线性式，都使用电力。每种方法都最适合不同的货物体积。两者都能够将其自身质量的数倍送入轨道，并大大减少推进剂需求。上面讨论过的太空钩也可以减少从月球提升货物的推进剂需求。它具有较低的重力加速度，因此也可以用于人员和敏感物品。但是，一个完整的 1-g 月球太空钩长 500 公里。这比弹射器要大得多，弹射器大约 100-200 米长。如何排序或组合这些替代方案需要更多分析。
离心式方法
基本思想是使用电动机驱动一个带有长短臂的转子，这些臂是平衡的。例如，请参阅 惯性 II，但安装在月球上以水平方式安装，以最大程度地减少支撑结构。太阳能电池板在白天发电，以逐渐加速转子，直到长臂的末端以略高于月球轨道速度的速度移动。有效载荷以略高于水平的角度释放，并沿海岸线移动到月球低轨道上的收集点。同时，从短臂上释放一个平衡块，它落在离心机后面的某个地方。平衡块的原因是，不平衡的转子会在离心机结构上产生很大的力，可能损坏它。有效载荷是未加工的表面材料（风化层）的烧结块，还是先分离成例如金属，还有待确定。由于没有大气产生阻力，因此可以缓慢地旋转转子，从而保持输入功率较低。转子尺寸也可以很小，因此这种方法适用于较小的交付量，并且在早期使用时设备较少，可以开始使用。
交付轨道 - 从表面投射到轨道上的任何物体将在一个轨道周期后与发射点相交。通过稍微倾斜转子，弹射器后面的轨道部分将低于表面。这确保了在交付失败的情况下，撞击月球将是安全的，因为路径首先会进入地下。轨道的最高点将距离表面约 100 公里，足以清除月球地形并一段时间内保持稳定，不会发生轨道变化。正常交付使用有效载荷上的推进装置，或使用轨道装置捕获有效载荷并将轨道提升。轨道上的一台设备可能比每个有效载荷上的许多设备更便宜，但这还有待确定。该设备的一种方法是使用一个小太空钩，有效载荷捕获器从主核向下悬挂数公里。偏移量允许弹射器以略低于轨道速度投射，以与捕获器匹配轨迹。然后，错过的捕获将降落在月球上的其他地方，而不是返回发射地点并造成损坏。将累积的有效载荷转移到太空钩的上端会提高它们的轨道，然后轨道拖船可以将它们接走。
捕获器可以是袋子或网，用电缆定位以满足传入的有效载荷，或者足够大以考虑有效载荷的分散。定位需要一种方法来查看传入的有效载荷，例如雷达或激光雷达。捕获器和有效载荷之间的速度差一开始很小，因为它代表了近轨道和轨道之间的差异。通过适当的设计，这种差异可以降低。有效载荷可能比捕获器移动得慢，因此它朝前移动并将其舀起，从而增加其速度。捕获和升高高度会降低轨道平台的速度，因此它需要推进以保持轨道。这可以使用电力推进，其效率是使用化学推进从月球发射的十倍。到达轨道的绝大部分工作是由弹射器提供的，因此电力推进可以相对较小。
机载方法使用有效载荷上的小型固体或冷气发动机。设计可以借鉴 火箭辅助弹丸，这些弹丸是为火炮开发的，它们经历了类似的高加速度。各种 推进剂组合 可以从月球材料中获得。这避免了需要从其他地方供应它们。有效载荷本身必须承受高加速度。因此，它也可以用作发动机和油箱的结构。需要一个控制系统，使发动机指向正确方向并在正确的时间点火。推进和控制系统增加了有效载荷的复杂性和成本，如果两者都没有正常运行，将导致有效载荷以不可预测的方向移动。由于这些原因，它可能不是最佳方法。
货运拖船要求 - 如果有效载荷有自己的推进系统，它们将最终进入类似的轨道，但会稍微分散。一辆收集车将追赶它们并将它们收集到更大的货运中。如果轨道平台捕获了有效载荷，它们将已经被收集到一个地方。无论哪种情况，电力拖船都将大型货物拖曳到高轨道，例如地球-月球 L2，这是月球远端的一个稳定点。这个位置始终处于阳光照射下，因此您可以获得更多能量将原材料转化为有用的产品。
电力推进效率高，但速度慢。因此，拖船的容量需要与从地面发射的材料数量相匹配，因为在进行一次往返过程中，材料数量是相同的。从月球低轨道到 EML-2 的 ΔV，使用低推力推进，约为 920 米/秒。一台使用 400 千瓦等离子推进器产生 11.4 牛顿推力和 50 公里/秒排气速度的电力拖船，交付 200 吨货物，将消耗 1.86% 的初始质量来交付有效载荷。太阳能电池阵列和推进装置的质量约为 4 吨。因此，推进剂使用量为 3788 公斤。流量为 19.7 公斤/天，因此燃烧持续 192 天。返程快得多，因为拖船会轻 50 倍。因此，往返总时间约为 200 天。如果弹射器每天向轨道发射 1 吨货物，则流量匹配。
小型离心机设计 - 表面的理论轨道速度为 1680 米/秒。但是，月球不是完美的球体，并且具有质量集中，因此需要约 1750 米/秒的发射速度来清除障碍物。选择一个高的发射点有助于避免撞击任何东西，并且允许稍微倾斜弹射器。这既提供了一个安全轨迹，以防捕获失败，也为平衡块撞击提供了安全的下风距离。假设长臂半径为 50 米，尖端速度为 1750 米/秒，则沿着臂的总应力为 156 克-公里。高强度碳纤维的极限强度高达 386 克-公里，因此我们处于可用材料性能范围内。离心力在轮毂处高于尖端。这是因为尖端只支撑有效载荷，而轮毂支撑有效载荷+臂质量。因此，臂将在轮毂处更厚以承受更大的力。我们不是在极限强度下设计，而是以低于极限强度的安全系数工作。旋转航空航天机械的典型值为 2.4。这将我们的工作强度降低到 386 克-公里/2.4 = 161 克-公里。那么理论臂面积锥度为 e156/161 = 2.635。在实践中，它将略高，因为非结构性开销。面积锥度为 3-4:1 是一个合理的设计解决方案。旋转周长为 2π x 50 米 = 314 米。然后，1750 米/秒的尖端速度意味着每秒 5.57 次旋转，即 334 转/分钟。这远在电动机驱动的机械臂的能力范围内。
短臂的末端移动速度较慢，因此应力较低。平衡转子和锚定结构上的力，配重需要比有效载荷重。结果是短臂的质量将与长臂相同，但更短更厚。由于配重释放速度远低于轨道速度，它将在离心机后方一定距离处撞击地面。它可能会在撞击时自行解体，但地表上并不缺少松散的岩石来代替它。
我们假设每天向轨道输送 1 吨散装材料。由于月球低轨道大约需要 108 分钟，我们可以每天发射 13.3 次，以使有效载荷到达一个共同的收集点。因此，每个有效载荷将是 75 公斤。然后有效载荷的动能为 115 兆焦，弹射器在 50% 的效率下需要 35 千瓦的平均功率。另外的 50% 用于加速配重，并且浪费了。35 千瓦是空间站四个主要太阳能电池板机翼输出功率的一半，大约是大型通信卫星的两倍。因此，所需的功率在现有的太空电力水平范围内。特斯拉 Model S 基础版使用 270 千瓦的电动机，因此 35 千瓦的电动机可以非常小巧轻便。由于您一半时间处于月球夜晚，因此您需要两个弹射器来产生所需的发射速度。除非离心机停止，否则很难装载有效载荷。因此，一个弹射器臂在发射后立即的飞轮能量可以转移到另一个弹射器，而不是仅仅通过制动来消散能量。再生制动（称为）在电动汽车中也很常见。这使得系统更高效。有可能提供足够的能量存储以持续月球夜晚，或使用不依赖阳光的另一种电源。在这种情况下，只需要一个弹射器，但我们将把这种选择留给更详细的设计。
系统质量 - 现代太空太阳能电池板加上安装和跟踪月球表面将产生约 100 瓦/千克。两个弹射器的 70 千瓦将需要 700 千克的电池板。弹射器臂的质量是有效载荷的 6-8 倍，因此一个完整的装置的质量可能是有效载荷质量的约 20 倍，即 1500 千克/弹射器。我们将需要一个采矿机器人来收集原材料，以及用于称重和包装有效载荷的设备。那么总的任务质量限额约为 10 吨，运送到月球表面。由于我们每天运送 1 吨，并且太空硬件的标称运行寿命为 15 年，因此我们总共运送了 5500 吨，或有效载荷系统质量的 550 倍。由于太阳能电池板是总质量的一小部分，我们可以通过使用更多太阳能电池板来增加质量回报。例如，如果我们使用 11 倍的功率，这会将系统质量提高到 17 吨，但总交付量为 60.500 吨。然后，质量回报率为 3559 比 1。如果您要进行多次轨道发射，则需要多个收集平台。添加收集平台和更多功率是从早期系统到直观的发展路径。
大型离心机设计 - 此版本按比例放大有效载荷体积，降低 g 力，并为更大规模的太空工业更改一些其他假设。这遵循与较小版本相同的计算类型。我们将交付速度提高到每天 27.4 吨，或每年 10,000 吨。按照地球标准，这仍然是一个小型采矿作业，相当于每天两辆自卸卡车的砾石，但 10 千吨约等于到 2014 年为止从地球发射的总质量，并且每年供应这种质量是一个重大的规模扩大。我们将臂半径增加到 1000 米，这将末端加速度降低到 3062 米/秒2 或 312.3 g。这种长度的臂不会是一整块，而是在静止时组装成桁架结构，以防止其弯曲，并使用张力缆在旋转时承受负载。最终结果类似于塔式起重机（图 4.12-5）的顶部部分，但没有垂直塔，并且安装在月球上的当地山脉上。
在 1750 米/秒的发射速度下，旋转速度为 16.7 转/分钟，对于电动机来说很慢。因此，使用皮带或齿轮类型机构来转换电机速度。沿臂的总应力仍然为 156 克公里，因此它具有与较小型离心机相同的臂锥度和质量比。鉴于每天 13.3 次发射，由轨道平台周期设定，每次有效载荷为 2,060 公斤。有效载荷的动能为 3.155 吉焦，因此需要 485.6 千瓦的平均功率。加上配重和系统损失，这将增加到 1.62 兆瓦的系统功率。使用太阳能电池板，这将有大约 16 吨的质量。在这个规模下，使用局部热能存储或核反应堆在月球夜晚提供能量是合理的，而不是建造两个大型离心机来弥补一半时间缺乏阳光。还可以使用发射之间的局部飞轮能量存储来节省能量，或者设计一种水平电梯式装载装置，以便离心机在发射之间不需要停止。另一种设计选择是使用固定配重设置在装载和卸载的有效载荷之间，并使用坚固的锚固和轴承来承受不平衡负载。16 吨的总碳纤维离心机结构仍然是合理的从轨道运送数量。如果当地玄武岩纤维生产可用，这可以节省从轨道运送，但由于强度较低，质量会更大。所有这些选择都需要更多分析才能找到最佳设计。
散装月球土壤的堆积密度约为 1850 公斤/立方米，因此在这种情况下，我们需要略大于 1 立方米的容器尺寸。如果铸成一个单块，密度为 2700-3500 公斤/立方米，有效载荷将为 0.59-0.76 立方米。如果铸成一个 1 米 H x 1 米 D 的圆柱体，则在峰值旋转时的自负载为 8.04 兆帕（1166 磅/平方英寸）。这低于大多数岩石的抗压强度，在这种情况下不需要容器。如果发生断裂，薄壳或纤维包裹可能是一个好主意。对于除铸造岩石或固体金属以外的有效载荷，由天然铁制成的容器将约为 100 公斤，如果由更坚固更轻的材料制成，则更少。因此，容器占所交付有效载荷的 5% 或更少。
除了裸露的旋转臂和电源外，还需要锚定结构，收集原材料并将其放入容器中的机器人，下游的微调磁体，以及通信和其他辅助设备。这方面的总量在进行更多设计工作之前尚不清楚，但我们可以粗略估计总共 50 吨的交付设备。由于 15 年运行寿命期间的总交付质量为 150,000 吨，因此质量回报率约为 3000:1。
线性加速器方法 -
这些被称为 质量驱动器 或 线圈枪（图 4.12-6），并使用一系列静止线圈作为顺序电磁体来加速有效载荷。质量驱动器循环移动线圈，这些线圈推动有效载荷，而线圈枪使用与有效载荷保持一体的整体线圈。两者都是电磁加速器的变体（参见第 2.2 节）。短距离内的加速需要高峰值功率。由于加速很快完成，因此可以连续发射许多较小的有效载荷。这种方法更适合高容量交付，其中大型电源不是一种惩罚。
线性加速器设计 - [待定]
有效载荷容器 - 散装月球岩石可能无法承受两种弹射器类型的 g 力，而推进剂流体肯定需要容器。有几种选择来处理这个问题。对于早期交付，预制容器可以由着陆器交付，尽管这不如使用当地制造的容器有效。散装岩石可以在太阳炉中加热，然后烧结或铸成单件。这可以在弹射器将其投掷之前进行负载测试。如果正在生产金属，则可以将其用于容器或容器。如果正在生产纤维，则可以将其用作加固或袋子来容纳有效载荷。任何类型的容器都可以使用轨道上需要的材料，因此它们的质量不会浪费在开销上。离心机可以为有效载荷提供结构支撑，直到释放，但释放过程中的动态负载需要仔细注意。半径更大或更长的弹射器将具有更低的 g 力，但物理尺寸更大。所有这些替代方案都需要研发来确定哪种方案是最佳的。
- 金属容器
我们将使用当地的金属铁作为金属容器的示例。铁提供了在弹射器释放有效载荷后使用磁性线圈微调轨迹的机会。加上捕获器在货物 30-40 分钟的弹道轨迹期间机械地调整自身位置，这应该可以确保很高的捕获率。月球岩石的矿物密度约为 2.7 到 3.5 克/立方厘米，具体取决于成分 (Kiefer, 2012)。我们假设平均值为 3.0。我们的离心机概念具有 75 公斤的有效载荷，因此我们需要一个 25 升的容器。一个高 32 厘米、直径 32 厘米的圆柱体具有大约这个体积。它由臂末端的匹配尺寸的有效载荷支架支撑，底部有一个开口以释放有效载荷。圆柱体受到总负载为 75 公斤 x 61,250 米/秒2 = 4.6 兆牛的压缩。如果完全自支撑，并且天然铁的工作应力为 250 兆帕，则容器需要 184 平方厘米的壳体横截面积，并且在那里的壁厚为 1.83 厘米。厚度可以向顶部逐渐变细，在那里它支撑的有效载荷较少。在铁的 7.8 克/立方厘米的密度下，壳体质量理论上将为 23 公斤，约占总有效载荷的 1/3。这可以通过选择容器的更好形状并使用支架支撑负载来减少。它还可以通过选择具有更好的强度/密度比（比强度）的另一种金属来降低。
- 玄武岩纤维容器
玄武岩纤维的比强度（强度/密度比）约为天然铁的 20 倍。为了节省容器质量并交付更多其他材料，我们可以用纤维代替金属来代替容器的全部或部分。纤维缠绕压力容器是地球上的常见设计。这些使用金属衬里来防止泄漏，并用高强度纤维包裹以承受高压。纤维增强金属将纤维嵌入大块金属基体中，纯纤维可以编织成高强度织物。哪种选择是最好的取决于有效载荷是什么以及生产容器的复杂程度。理想情况下，不需要容器，但这将限制有效载荷为铸造月球岩石，而铸造月球岩石的强度相对较低。这限制了 g 力并增加了弹射器的尺寸。
卫星维护和加油支持 - 大多数现有卫星位于低地球轨道或高地球轨道区域，因为大多数文明都位于地球，而这些卫星的服务也都是为地球提供支持。这种情况在未来一段时间内应该会持续下去。本项目涵盖了从月球区域到其他区域，以及在月球区域内部的卫星支持。除了少数几个例外（国际空间站和哈勃太空望远镜），大多数太空项目都是一次性使用的，因为维护和加油太困难或太昂贵。然而，当卫星损坏或燃料耗尽时，更换整个卫星也非常昂贵，因为新硬件和运往太空的费用都很高。因此，维护和加油能力是可取的。来自月球和近地小行星的原材料，以及月球区域的能源，可以支持这种能力，以及其他区域的项目和地球的支持。支持产品包括推进剂供应，包括化学推进和电推进的推进剂。推进剂用于为卫星加油，清除轨道碎片，以及运输维护设备到卫星或将卫星运送到维护地点。它们还包括材料供应，包括用于人员和设备的辐射屏蔽，以及用于辐射带消耗的散装材料。
[待定]
上述的各种项目之间不会相互孤立，而月球区域也不会与其他区域和地球上的文明孤立。因此，我们要将这些项目彼此联系起来，并与其他项目阶段联系起来。概念探索是设计的第一步，因此项目本身还没有完全确定。将它们整合到更大的项目中，距离完成就更远了。与其尝试制定一个完整的计划，不如现在只记录它们之间的个别关系。
月球玄武岩在月球上广泛存在。弹射器可以将其大量送入轨道，在那里一个加工厂可以熔化它并生产高强度玄武岩纤维。这可以用于建造太空电梯，使人和其他易碎货物更容易到达月球表面。或者，碳质小行星可以提供碳，也可以生产高强度纤维。碳纤维强度略高，但玄武岩需要的加工步骤更少。将原材料运送到加工地点的难度各不相同。哪种方法在特定情况下更可取，目前尚无定论。高强度纤维也可以用作压力容器的增强材料，而矿物纤维通常可以用作绝缘材料。