第 4.5 节：阶段 4A - 低轨道开发（第 2 页）
假设有一种将货物送入轨道的传统方法，可能还有超高速发射器（上一节），下一步是建立一个组装站，从高重力发射器收集货物，以及从传统火箭收集更敏感的货物和人员，并在那里为进一步的空间项目建造更大的系统。组装降低了单个发射所需的规模，从而降低了前期开发成本。
先前的载人空间站，特别是目前的国际空间站，已经将轨道组装作为一种工程方法。组装的特殊特征包括，首先，设计要组装的部件。机械对接装置包括用于对齐部件的导轨、用于牢固固定它们的锁紧装置和动力螺栓，以及在部件连接时自动连接的电气和其他连接器。组装的重型体力劳动由轨道安装的机器人机械臂完成，通常由机载操作员控制。较轻的作业由穿着增压服的人员完成。该项目的经验是一个良好的起点，但自空间站设计确定以来已经大约 20 年了。从那时起，计算机和通信已经取得了长足的进步。此外，持续增长的设计需要不同的设计理念。
本例中的方法使用比过去更小的模块化组件。在早期建造阶段，这些组件由遥控/自动化机械臂组装成更大的单元。一旦建立了足够的设施，就可以增加人类机组人员。机器人工作利用了先进制造步骤的经验。组装站起初非常基础，并通过添加更多模块化部件逐渐扩展其能力，随后通过在当地制造物品而不是仅仅组装交付的货物来扩展能力。设计的一个重要部分是使用标准化的模块化组件。这样，新的部件就可以以任何方式添加，并且仍然可以匹配，并且每个新工作都不需要新的设计。此外，使用标准部件可以更容易地储存备件。
像桁架单元这样的零件，本身就很坚固，可以打包进行炮弹发射，然后组装成完整的桁架。具有刚性壁的增压模块不适合炮弹发射货物，但充气模块可能适合。或者，锥形或圆顶部分可以嵌套，然后组装成完整的模块。如果有真空焊机或层压带绕线机，则可以从较小的部件组装模块。因此，需要检查每个组件以找到最佳的交付方法，并且最终可能会混合使用多种发射方法。
组装站的输出将是商业物品，如航天器或航天器部件，以及扩展后续步骤范围的内部生产。例如，组装站可以从部件组装一个采矿拖船，然后该拖船前往从近地小行星收集材料。从某种意义上说，该站可以“自我复制”，通过分离或组装一个子集，然后该子集可以作为在新的位置进行建设的种子。最初的增长是通过简单地添加更多给定尺寸的模块来实现的。随后的增长可以通过在经济上合理的情况下使用来自地球的更大发射系统来实现，或者通过为后续“代”的建设生产更大的组件来实现。
以下是组装站启动部件列表。需要进行更多详细的分析和设计才能最终确定列表，但这将说明此类设计中包含的模块类型。第一次发射可能由另一个发射系统完成，以使一个完整的运行系统能够作为一个单元交付。随后的发射可以是作为增量逐个交付的较小元件。
要交付到轨道的首批物品之一将是一个小型化学推进单元。它将包括油箱、燃料和小型推进器，以及一种牢固对接其他结构的方法。对接口可能简单到一个吸引另一个有效载荷的磁铁，然后是一些螺栓或夹具来固定它。推进单元完成所有移动以与有效载荷对齐的工作。对接其他有效载荷将自动连接电源和数据线。对于第一次发射，将电子单元和部分加注燃料的推进器单元作为一个货物发射是可行的。否则，将使用更大容量的发射系统。
不断增长的组装站将使用燃料来满足每个到达轨道的货物，以及弥补任何低轨道高度存在的稀薄大气造成的阻力损失。因此，它需要定期加油。
这将包含一些较小的太阳能电池阵列用于供电、一些计算机系统、电池、一个或多个用于导航的摄像头和 GPS 单元，以及无线电或激光通信。
接下来的几件物品将是机械臂，使推进单元能够执行更多由地面控制的复杂任务。像机械臂这样的物品将受到设计权衡的影响。它们必须为炮弹运送而制成非常坚固的结构，而不是传统火箭发射的轻型版本。机械臂可以制成带有 1 个或 2 个关节的节段，这些节段串联连接以制造更灵活的单元，并具有可更换的工具/操纵器端部以执行不同的任务。机械臂设计为双端，因此任一端都可以连接到底座或工具，并具有一个分体关节，可以从一根轴延伸到两个或多个“手指”或“臂”。
这些是连接到机械臂的工具，以及用于在各处移动机械臂的轨道车单元。
这是一组桁架单元，可以组装成更大的任意结构，轨道组装站的其他部分将连接到这些结构上。一种方法是使用球杆桁架，在交汇处设置枢纽，枢纽上带有 90 度和 45 度角的配件。这些枢纽通过标准长度的支撑杆连接起来形成框架。基础桁架的间距可能是 1 米，并配有适配器，以便根据需要放大或缩小到其他网格尺寸。填充板将跨越桁架间距以增加刚度或提供容器空间或其他安装位置。根据需要，板可以是穿孔的或实心的。
基本结构系统包括用于在各个位置之间移动机械臂和其他物品的轨道。轨道将从枢纽延伸一小段距离，并带有平滑的接头以允许连续运动。弯曲或枢轴部分将能够改变运动平面。
这里的概念是拥有一个冗余且模块化的公用设施系统，并根据需要添加不同的服务（电力、数据、燃料管道）。一种方法是使用桁架柱作为公用设施载体，并安装支撑支架来固定各种管道，并在侧面安装隔热层或陨石毯。这样可以方便地进行添加或维修。
这里还有另一个需要权衡的问题，即光伏阵列不适合用炮弹发射，但重量轻，而布雷顿发电机理论上可以非常坚固。对于低轨道，电源单元需要某种形式的存储，例如电池，因为阳光只在 60% 的时间里可用。首先，只需将光伏阵列连接到您的结构基座即可提供电源。
对于需要更多燃料的更长时间的任务，将添加离子或等离子体推进器，它们比化学推进器更有效率。
某些设备和人类受益于不在真空中。其他任务则受益于温度控制或防止碎片的包含。对于这些类型的需求，需要一个封闭的模块。对于早期使用，充气模块可能适用。成品模块不适合用炮弹发射，但可以将纤维增强铝带以线轴的形式发射，然后在芯轴周围成形以创建更大的形状。集中的阳光和压力辊可以将铝带层进行钎焊/固化，直到达到足够的厚度。这样，炮弹的少量货物容积可以用来制造更大的物品。一旦有足够的宜居空间和供应，人类就可以开始在组装站工作，但最初的建造工作将完全通过遥控进行。
电力推进的燃料效率通常是化学火箭的十倍左右。因此，它们将指数级的燃料需求（推动更多燃料所需的燃料）转变为大多数太阳系任务的近乎线性的燃料需求。这一步骤的时机将与轨道组装开始同时或紧随其后。
有几种类型的电力推进器是近期使用的良好候选者。这里的选择基于开发状态和实用性。
- 49 静电离子 - 这会将电子从气体原子中剥离，使它们带电，这称为“电离”。一旦带电，它们就可以通过具有较大电压差的金属屏幕加速。离子推进器被用于一些通信卫星，而黎明号宇宙飞船目前正在探索灶神星和谷神星小行星。
- 51 微波加热等离子体 - 这种类型使用微波频率加热器来加热燃料。这与微波炉的原理相同，但强度更高。超过一定温度，燃料中被加热的原子会相互剥离电子，将其变成离子与电子混合物，这被称为等离子体。等离子体被磁场约束和引导。你需要这样做，因为等离子体非常热，会熔化任何与之接触的东西，或者使其自身冷却过度。事实上，在地球上，等离子体被用作一种高效切割金属的方法。这种推进器的一个版本目前正在地面开发，并将很快进行太空站上的测试飞行。它的全称是可变比冲磁等离子体火箭，简称VASIMR。作为一类，它们被称为等离子体推进器。
- 72 电离层电流 - 它的工作原理就像一个电动机，在磁场中使电流在导线中流动。电流的回路线是电离层。这种方法仅限于具有合适磁场和电离层密度的地方，但幸运的是，低地球轨道就是这样一个位置。它的吸引力在于它不需要直接使用燃料，只需要少量泄漏的等离子体来与电离层建立电接触。如果它是一个使用燃料的引擎，则等效排气速度为 250 公里/秒。由于低轨道是我们想要首先使用的地方，因此开发这种类型的推进器是重中之重。请注意，它不像其他类型那样完全开发。
所有火箭的工作原理都是在一个方向上抛射质量，根据牛顿定律（每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用），火箭的其余部分被推向另一个方向。抛射质量的速度越快，你从中获得的推力（动量）就越大。传统火箭在燃烧室中燃烧燃料，然后让它膨胀到超音速喷嘴中，使其尽可能快地运动。喷嘴的形状受膨胀气体物理学的支配，这就是为什么它们看起来或多或少都一样的原因。它能达到的速度受气体温度和分子量的限制。当今使用的最佳组合是按重量比 1:6 的比例燃烧氢气和氧气。这主要产生蒸汽，并留下少量氢气以降低平均分子量。气体运动速度在技术上称为排气速度，对于这种燃料类型，排气速度限制在大约 4.5 公里/秒。
电力推进器不受燃料燃烧产生的能量的限制。它们从外部电源向燃料供电，因此可以获得更高的排气速度。这让你从给定数量的燃料中获得更多的推力。由于你使用燃料的数量是有限的，因此这在与排气速度增加成正比的情况下更有效率。用汽车作类比，你正在获得更好的“燃油里程”。
极高的燃料效率是这种推进器重要的关键。如果你在太空中进行大量移动，那么节省的燃料远远超过（从字面上看）电源的质量和成本。传统火箭只需要一个相当轻的燃料箱，但会燃烧更多的燃料。电力推进器在运输人类时的一个缺点是它们的推力相对较低。这使得行程时间更长。有各种方法可以解决这个缺点。例如，缓慢穿过地球辐射带会导致不可接受的辐射暴露。因此，你可以用电力推进器运输你的主要运载工具，需要几周时间，然后在主要运载工具离开辐射带后，用一个小型太空舱送达机组人员，这只需要几个小时。
所有类型的电力推进器都需要外部电源，因为燃料不像化学发动机那样自发热。太空中最常用的电源是光伏电池板。在数百千瓦或更高的功率水平下，这些电池板可能变得笨重，并且它们的单位面积功率输出与太阳距离的平方成反比下降。因此，对于一些过去和未来的任务，核电源更受青睐。小型核发电机基于同位素衰变，而大型核发电机则是完整的核反应堆。任何类型的核装置都会带来技术和政治上的复杂问题。
电力推进器不能直接用于大型天体的发射或着陆，因为它们的推重比远小于当地重力加速度。它们可以通过太空缆索/电梯式系统间接使用。化学发动机可以使车辆的推重比远高于地球重力，这是迄今为止它们成为主要发射方式的原因之一。
离子推进器和微波等离子体推进器的排气速度都在 20 到 50 公里/秒的范围内，因此燃料效率比传统火箭高 4 到 10 倍。与地球上的电力设备一样，它们的额定功率为其使用的功率。黎明号航天器配备了一套 10 千瓦的太阳能电池板，而正在开发的 VASIMR 推进器额定功率为 200 千瓦。通常，离子推进器在较低功率水平下可以保持效率，因为离子流不需要被约束场限制，而等离子体需要一个场将其与固体硬件隔离开。在小型尺寸下，等离子体体积与发动机总体积之比变小，效率下降。
出于效率原因，离子推进器更喜欢高原子量燃料。电离原子的能量在元素周期表中大致恒定，但在这种类型的发动机中不产生推力。因此，使用高重量燃料可以降低用于电离的总功率相对于加速度的比例。通常使用氙气作为燃料。等离子体推进器可以使用大多数燃料类型，因为它们的目的是使等离子体变得极其热，大约一百万度。通过调整微波发生器，大多数原子和分子都会吸收能量。一个关键优势是像氧气或水这样的燃料在小行星中很常见，因此电力推进器可以在当地进行燃料补给，而不必将所有燃料从地球运来。
以下早期任务可以从相对较小的推力水平开始执行，并逐步发展到更雄心勃勃的任务。
这项任务涉及从地球大气边缘收集空气作为燃料和呼吸。我们从一个 50 千瓦的太阳能电池阵列和一个 VASIMR 型推进器开始，它可以在 40% 的效率和 20 公里/秒的排气速度下产生 2 牛顿的推力。假设太阳能电池阵列使用现代多层电池，效率为 30%，功率质量比为 100 瓦/千克。因此，该阵列的质量为 500 千克，我们假设它通过间歇使用在 30% 的时间内运行。然后，电力推进器可以产生 0.6 牛顿的平均推力。在 200 公里高度，每平方米的收集器产生 0.0129 牛顿的阻力，因此允许的收集器总面积为 46 平方米以匹配平均推力。这将收集 0.08 克/秒，推进器消耗 0.03 克/秒，净剩余 0.05 克/秒。这相当于每天 4.32 千克，或每年 3.15 倍的太阳能电池阵列质量。
后续扩展将相同的推进器模块提升到 200 千瓦功率水平和 5.7 牛顿推力，排气速度为 50 公里/秒，运行时间为 60%。运行时间受地球阴影中 40% 轨道的影响限制。因此，平均推力为 3.42 牛顿，收集速率为 0.456 克/秒。推进器使用 0.114 克/秒，净剩余 0.342 克/秒。这相当于每天 29.5 千克或每年 10,785 千克，或每年 5.4 倍的电池阵列质量。如果电池阵列的使用寿命为 15 年，则它们可以总共提供 75 倍于其自身质量的物质。用于补偿阻力的电动力推进器可能会进一步改善这一点。
对于人类运输，在穿过辐射带时速度很重要，可以分离收集到的空气以获取氧气，并与来自地球的额外氢气混合在化学推进器中。或者可以使用较低排气速度、较高推力的电力推进器，牺牲燃料效率以实现快速运输。有几种等离子体和电弧喷射推进器可以完成这项工作。
地球轨道上积累了来自航天器爆炸和碰撞的碎片，并且有一些非功能性卫星只需要修复一个部件或添加新燃料即可重新运行。这项任务涉及使用一系列电力推进器车辆尺寸来收集碎片，在现场修理或为卫星加油，或将它们带到轨道平台进行维护。碎片的质量范围小到几厘米或更小，因此用大型车辆收集它效率低下。或者，卫星的质量可能高达几吨。因此，我们选择电力车辆尺寸以匹配正在收集或移动的物体的大小。对于碎片收集，可以在一次旅行中收集几个处于相似轨道上的碎片，以最大限度地减少燃料使用和任务时间。这些清理任务的燃料来自大气开采。根据目标对象的不同，我们执行以下一项或多项任务
- 收集轨道碎片，并将其送入足够低的轨道使其快速衰减并燃烧殆尽，或将碎片送入处理单元以提取有用的材料。
- 将无法工作的卫星硬件送回轨道平台，以便回收可用部件。
- 在轨道平台上用回收或新部件修理无法工作的卫星。
- 在现有卫星的当前位置维修、加油或安装新的推进装置。
- 将新货物运输到更高的轨道。
以上任务大致按规模和难度排序。在回收使用过的卫星之前，您需要获得其原始所有者的许可。破损碎片的法律制度尚不清楚。如果它们被认为是对航行的威胁，则可能会在未经许可的情况下将其移除，或向原始所有者收取清理费用。
[移至第 4B 阶段高轨道] 生产的进一步扩展可能会导致电力卫星，这些卫星将能量束射到地球以提供 24 小时电力。如果这在经济上可行，它很可能是对地球最大的出口市场。太阳能热发电与储能系统在地球上的阳光充足地区有效，但许多人居住在没有阳光充足气候的地区。太空中的太阳能通量是地面低日照气候的 10 倍。尽管太空建造的额外成本，但从轨道传输的能量可能最终更便宜。如果卫星及其生产设备的大部分材料可以来自太空，并且生产高度自动化，则尤其如此。