第 1.10 节 - 未来项目

第 (1.9) 节 描述了现有的太空计划和项目。本节列出了未来计划和项目中太空活动的类别和任务目标。本书的第二部分和第三部分将描述实施这些活动的运输和工程要素。它们还讨论了如何设计、建造和操作执行所需功能的完整系统。给定的项目、地点或任务可能包含以上多个项目。多种活动可以同时存在，但没有其他关联，就像一座大型办公楼可以容纳多个不相关的租户一样。在这种情况下，项目可能会在各种活动之间共享电力等联合服务。或者，多种活动可以并行链接，例如从小行星材料中回收材料并从这些材料中为牵引车加油。这些活动也可以按逻辑顺序连接，其中一项活动紧随另一项活动，例如使用先前生产的库存材料建造新的探索或采矿车辆。我们将任何包含多种不同活动的项目称为复杂项目，并在第四部分提供了详细的示例。许多其他此类复杂项目是可能的，但我们的示例旨在成为未来活动的教程和合理提案。

下面列出的活动按理想的复杂程度排序。实际执行多个项目的程序可能会选择不同的顺序，从设计和时间安排的角度来看，这更有意义。随着文明向太空扩张，最终我们将包含地球上今天发生的各种行业和活动。因此，此列表并不详尽。相反，它包括与太空特别相关的更重要的项目。

散装质量

散装质量是未分化为制造部件的物质，无论是处于原始未加工状态，还是加工成精炼产品。散装物质的数量是一个主要变量，因为所有类型相同的散装物质都是等效的。地球具有深重力井，逃逸需要 62.5 MJ/kg。这目前很困难且昂贵。已经在太空中靠近您需要它们的当地散装材料来源，通常可以以更少的总能量进行运输和加工。太阳能在太阳系内部的量非常丰富，并且几乎到处都可以获得。因此，理论上的运输和加工成本很低。因此，在太空中获取散装材料具有经济上的激励。散装材料可用于推进剂和燃料，用作辐射屏蔽，或作为矿石进行提取和进一步加工成有用的产品。

美国宇航局将利用太空中的当地材料称为就地资源利用 (ISRU)。他们已经建立了一个ISRU 项目办公室，并且正在对方法进行一些早期研究。ISRU 的名称对某些决定美国宇航局预算的委员会成员来说更容易接受，而不是“太空采矿”，听起来太像科幻小说。尽管如此，公共法 114-90 的第四章，也被称为2015 年太空资源勘探与利用法为私人商业回收和拥有太空资源提供了条款。小行星的重力井可以忽略不计，到 2016 年初，已经在近地小行星 (NEA) 类别中发现了 14,000 多颗小行星。不同的小行星还具有多种有用的化学成分。这种组合导致了相对于其他太空地点而言，小行星采矿 受到最广泛的关注，但任何具有可用材料和能量的地点都是候选地点。美国宇航局也正处于开发小行星重定向任务 的早期阶段，该任务将从 NEA 中带回一块巨石到安全的月球轨道，以便以后对其进行详细检查。

推进剂和燃料

推进剂是在许多类型的推进系统中消耗和排出的材料。它们通常占太空系统质量的很大一部分或主导部分。推进剂应用包括太空运输、弹道运输、空气动力运输、地面运输和便携式电力。由于应用范围广、使用环境不同以及原材料来源不同，因此潜在推进剂种类繁多。本书第二部分讨论了用于太空运输的特定推进剂。其他应用列在下面。

燃料是在环境中与材料反应的能源，例如空气呼吸发动机，或者在化学火箭的情况下与氧化剂反应。核燃料通过内部反应产生能量，不需要与另一种材料反应。对于高级用途，特别令人感兴趣的是铀或钍等裂变燃料，如果开发了聚变能，那么用于这些反应的轻同位素。这是核反应释放的能量相对于化学反应而言非常高的原因。

从当地资源生产推进剂和燃料被称为就地推进剂生产。迄今为止，所有推进剂和燃料都是从地球上供应的。使用当地资源通常会更便宜。通过在行程中的间隔使用仓库，减少了运输的质量开销。如果从一开始就运载所有推进剂质量，则更多推进剂必须进行速度变化。因此，您需要使用其中一部分来移动其余部分的开销。通过在间隔点进行补充，车载质量更小，因此移动它的任务开销也更小。推进剂的供应来源靠近仓库位置或位于仓库位置，并且通过高效的电力推进进行运输。因此，供应开销也很低。

除了传统的太空运输外，其他推进剂和燃料应用还包括

弹道运输 - 在未开发或布满陨石坑的地形上，试图在地表行驶会很困难，而且长距离行驶速度会很慢。弹道运输使用与太空运输类似的方法，但不是往返轨道或轨道之间，而是用于亚轨道轨迹，从一个点到另一个点。较低的速度可能允许更简单的推进或更高的有效载荷。这种方法在速度要求较低的小天体上特别有用。

空气动力运输 - 在具有足够稠密大气的天体上，您可以潜在地使用空气动力升力或浮力以及推进发动机进行运输，类似于我们在地球上使用飞机的方式。

地面运输 - 太阳能寿命很长，在其使用寿命内产生的能量可以达到化学燃料的数千倍。但是，它的功率密度与面积之比并不高，这使得它在高速地面车辆中笨重，而且电池需要相当长的时间才能充电。作为替代方案，燃料电池或内燃机可以在紧凑的设备中提供更多功率，并且更适合此类车辆。固定式加油站可以在车辆运行范围内分布时快速为车辆加油。

便携式电源 - 太阳能和/或电池适合不需要高功率水平的小型便携式设备。短时间内更高的功率水平可以通过推进剂或燃料来源来满足。

辐射屏蔽

在整个太阳系中存在着不同程度的辐射，包括地球。太空中的许多地方的辐射水平对人有害，或者会影响电子设备和材料。自然太空辐射来自四个主要来源：宇宙射线、太阳风和等离子体事件、磁场中的俘获粒子以及放射性元素的浓度。人为辐射可能来自核和其他高能装置。屏蔽的有效性因成分而异，轻元素对于某些类型的辐射提供更好的保护，而重元素则提供更好的保护。在质量很重要的场合，优化的和经过处理的材料可能更适合屏蔽，但未经处理的散装材料更容易供应。

栖息地、车辆和设备可以通过自身质量来降低辐射水平，然后再添加额外的屏蔽。例如，具有厚壁、农业土壤、水和大气的大型栖息地可能本身就能提供足够的屏蔽。对于车辆或轻型栖息地，可以添加额外的屏蔽，如散装推进剂、水和食品供应。大型天体的表面或地下通常具有足够的本地材料来提供辐射屏蔽。使用它的方法包括在地下建造，或者通过在辐射敏感区域周围和上方移动足够的材料来进行表面建造。25 厘米或更厚的松散堆积未加工材料可以将人类的暴露量降低到合理水平（参见Miller 等人，2008 年）。在开放空间，在对散装材料进行加工的地方，未加工的原材料、加工材料的堆场以及加工后的废料（炉渣）都可以通过在栖息地和设备周围适当布置来用于屏蔽。

矿石交付

矿石是指任何天然材料，其中包含足够量的所需产品，使其经济上可以开采。在地球上，原油、铁矿石和碎石都是用于制造其他产品的矿石，就质量而言，它们是运输量最大的。在太空中，散装矿石及其产品也可能成为按质量计算的主要运输项目。根据经济性和技术水平，散装矿石可以以其原始状态运输，也可以浓缩成所需的成分，称为选矿，然后运输浓缩物，或者就地加工成最终材料，然后交付到需要的地方。最终目的地可以是任何需要矿石或其产品的地方。以下是一些选定的例子

交付到地球 - 几乎所有的人口和经济活动都在地球上，在未来几十年内将继续如此。一个庞大且经济发达的人口使用大量的物质资源。有些材料可能会变得稀缺，以至于从太空中获取它们在经济上是可行的。返还铂族元素等高价值材料并不构成重大的运输挑战，因此我们将看看成本规模的另一端。

假设你想要将大量的铁进口到地球，因为高品位铁矿石供应有限，而 M 型小行星可以提供几乎纯净的铁镍钴合金，已经是金属形态。最简单的方法是将金属小行星的碎片对准选定的地点，然后收集那些到达地面的碎片。这不需要任何加工。图 1.10-1 展示了这种现象的自然例子。你可以在博物馆的小行星收藏中找到其他幸存碎片的例子。非金属炉渣和挥发物在再入过程中会燃烧殆尽。选择一个大小，可能在 10-50 吨左右，这样再入阻力会减慢它们的速度，而且你不会得到一个大陨石坑。地球上有很多地方人烟稀少，而且交通运输便利。钢铁市场规模约为每年 15 亿吨。挑战在于以每公斤 1 美元或更低的成本将钢铁运送到地球。你可能需要重新定向并切割一颗 1 百万吨（60 米）的金属小行星或更多，但产量至少价值 10 亿美元（100 万吨钢，每吨 1000 美元），这可能足以弥补高效运营的运营成本。

交付到太空地点 - 由于目前发射到轨道的成本很高，位于所需太空地点的材料价值远超地球上的大多数材料。它需要从其自然发生的地方移动到需要的地方。地球的引力井需要大量的能量才能爬出，到目前为止，发射系统使用低效的火箭来完成这项工作。已经位于附近太空中的材料可以使用高效的电推进器进行运输。在天体表面，一些材料可以就地获得。往返于比地球小的天体的运输可以使用机械和电力方法。一旦这些系统建立起来，它们都可能成为更便宜的解决方案。

奥尔特云/流浪天体交付 - 在遥远的未来，一次大型星际任务可能需要大量的推进剂和其他物资，因为旅程的速度很高，持续时间也很长。在这个概念中，几个彗星或无束缚的流浪天体，或其一部分，被来自主飞行器，或从发射点提前发送的推进装置拦截。推进装置消耗部分质量，将剩余质量加速到主飞行器的速度。交付的质量用于进一步加速主飞行器并补充其他材料。这比从任务开始时就携带所有燃料可以实现稍快的速度，因为主飞行器需要加速的质量更小。为了使这行得通，你需要提前知道这些天体在哪里，或者相信它们的密度足够大，可以让你在需要时沿着你的路径找到它们。

工业能力

推进剂和辐射屏蔽等简单的散装材料很有用，但不能满足所有未来的项目目标。太空制造是指在太空中利用原材料和可用能源生产更精炼或更复杂的产品。它与地球上的太空工业区分开来，在太空工业中，卫星和火箭等复杂产品是在地球上制造的，然后交付到太空中使用。从历史上看，所有制造业的一个关键特征是使用工具制造更多工具。当应用于太空制造时，可以从更小更简单的初始装置中发展出更大的工业能力。这避免了将整个工厂送入太空的成本。一个简单的引导例子是利用金属小行星材料制造压力容器，然后用于矿石的化学处理。

一些生产将用于从经济意义上讲的最终产品。这些是最终产品，不会用于进一步生产。例如，一个轨道温室，为太空中的个人生产食物。其余的生产要么是资本货物，用于进一步生产的耐用品，要么是中间产品，这是原材料和最终产品之间的半成品。当工业能力不仅仅是为了最终产品，并且一些资本货物是在太空中制造的，而不是从地球上运送过来时，那么生产和增长序列必须针对设计成本、增长时间表和从地球发射的初始质量等因素进行优化。

种子工厂

“种子工厂”是指一组旨在发展为成熟工业能力的初始设备。这与植物种子类似，植物种子会生长成成熟的植物。工厂产出的一部分用于自身生长，其余部分用于所需最终产品。NASA资助的对该概念的早期研究报告见：Freitas 和 Gilbreath 编。先进的太空任务自动化，NASA 会议出版物 2255，1982 年。计算机、自动化和通信技术在 1980 年还不够好，无法用于月球上的预期用途，因此 NASA 没有进一步追求这个想法。该概念仅限于“复制”，即制作初始装置的精确复制品，直到达到足够的总能力。该研究还假设种子工厂 100% 自行制造零件，100% 自动化，并且只能在太空中使用。

目前的种子工厂概念包括其他两种增长方法：“多元化”，即制造初始装置中没有的新物品，以及“扩展”，即制造不同于初始装置的尺寸的物品。100% 自产、100% 自动化以及只在太空中使用的假设都被取消了。因此，种子工厂可能一开始只制造其自身产品的百分比，其余部分从其他地方供应，并使用人员直接或通过远程控制来完成一些任务。这极大地简化了初始装置的设计。随着时间的推移，不断增长的生产能力可以制造更多自己的物品，并且需要从外部供应的物品更少。利用当地能源和材料进行自我扩展生产的想法适用于任何地方，而不仅仅是在太空中。这是一个复杂的主题，这本维基百科是关于太空系统的，因此为此专门开始了一本单独的书。

自我扩展生产可以在从地球发射的质量到最终产品以及你能执行的任务方面提供大量的杠杆作用。因此，我们认为这是一个重要的概念，并将广泛引用它。由于太空地点的能量或物质资源不均匀，种子设备及其制造的产品可能会分布在一个贸易网络中，其中组件针对地点进行了优化。该网络将包括一些仍然从地球上供应的零件和材料。该网络的各个部分可能由不同的实体拥有和运营，从而形成一个自给自足的太空经济。

制造的产品

一旦你建立了工业能力，你就会想要利用它来制造有用的产品。在太空中制造的产品种类和在地球上一样多。在给定地点制造哪些产品取决于质量、生产复杂性和经济价值。以下项目被建议用于相对容易的生产和显著的质量节省

结构材料 - 各种结构材料可以利用太空中的本地材料制造，从而减少了必须从地球上运送的材料数量。一个例子是铁镍形状，如柱子或板材，它们由金属型小行星制成。另一个是铸造或烧结岩石，由月球或火星表面材料或石质小行星制成。它们将用太阳能或微波炉熔化。第三个例子是来自各自本地来源的高强度碳纤维或玄武岩纤维。

金属小行星的太阳帆 - 这是一种结构材料和运输方式的结合。为了从太阳系内小行星中回收大量的材料，可以在金属型小行星中发现的铁镍合金被轧制成薄片，然后用来制造太阳帆。如果你想要的是金属本身，那么它会自行航行到你想去的地方。如果你想要其他小行星材料，可以使用更大的帆面积作为货物拖船。为了制造帆，你需要一个轧机 - 一种加热材料的方法和一种在两个滚筒之间强制使材料变薄的方法来制造薄板。

铁镍帆的缺点是与铝镁等轻合金相比，它们的质量更大，而且它们的反射率在自然状态下较低。太阳帆在它们可以施加推力的方向上也有一定的限制。优点是原材料在小行星本身大量存在，并且不需要太多加工就能制成可用的形式。如果需要，可以添加铝或铝硅合金涂层来增加反射率。

玻璃 - 除了作为温室窗户的明显用途外，玻璃还可以用于光纤电缆，以及惰性反应容器，包括那些将聚光阳光照射进去的容器。化学上最简单的玻璃是熔融石英，它是纯二氧化硅 (SiO₂)。硅和氧占月球土壤的 60% 以上，占石质小行星的 50% 左右，因此这些成分非常普遍。然而，它们通常与其他元素结合在硅酸盐矿物中，需要化学或热分离。

砖和混凝土 - 当空气泄漏不是问题时，砖和混凝土可用于低强度建筑，例如辐射屏蔽、隔热罩和着陆垫。传统砖是用加热沙子和粘土的混合物制成的，直到颗粒部分熔化并粘合在一起，这个过程被称为烧结。如果能找到足够的热源和合适的原料，可以在太空中以相同的方式制造建筑构件。它的主要优点是简单。混凝土是一种人造石材，由不同尺寸的碎石组成，称为集料，以及一种将它们粘合在一起的粘合剂。在地球上，最常见的粘合剂是波特兰水泥，它是由页岩和石灰石混合而成，在高温下加热，然后研磨成细粉。许多其他粘合剂是可能的，其中一些在太空中有用。混凝土的用途基于它的相对低成本，以及在室温下浇铸成各种形状，然后硬化的能力。

化学产品 - 这包括塑料、化学试剂、润滑剂以及许多其他通过化学加工制成的物品。月球岩石富含金属氧化物，例如硅、铁、铝、镁，有时还有钛。这些金属对于结构、太阳能电池和电子产品很有用。将氧化物转化为金属并分离元素的过程称为湿法冶金。过程包括物理过程，例如破碎和研磨以分离矿物颗粒，以及磁选。它们还包括化学过程，例如液体溶液，使用高温的热过程，以及电解等电过程。化学溶液和电解需要合适的试剂。这些包括含有非金属元素的化合物，例如钙、钾、钠、磷和硫。这些元素可以在某些类型的小行星中找到。塑料和润滑剂通常是碳化合物，这些化合物也存在于小行星中。

生物产品 - 这当然包括食物，但也包括木材等非食物类物品，以及微生物的化学输出。后者的最古老例子是酵母酿造的酒精，但现代生物技术可以生产各种各样的物品。种植食物通常需要水、二氧化碳、含有氮、磷和钾的肥料以及微量元素。一些小行星有水或含水矿物。月球缺乏这些物质，因为它是在熔融状态下形成的，并且具有较低的逃逸速度，这些物质被烘烤出来并损失了。火星和金星的大气层中含有高比例的二氧化碳，而火星拥有氮气。小行星是肥料中元素和微量元素的来源。

能量

太空中的能量用途与地球上一样普遍。太阳能电池板从一开始就被用在卫星上，因为它们是模块化的，重量轻，可靠，并且在使用寿命内产生的能量比电池或燃料电池多。功率水平从几瓦到空间站上的约 100 千瓦不等。未来的能源需求包括更大的推进量，以及运行工业系统。栖息地、通信和科学设备可能是大量的能源消耗者，最终，一个主要的未来用途是将能量输出到地球或太空中的其他位置。未来能源生产的类型包括

太阳能电力 - 这包括现有的光伏太阳能电池板，以及太阳能热发电系统。后者将阳光集中到热机/发电机组合上。太阳能通量在太阳系内部足够，但在太阳系外部可以使用大型轻型反射器来提高功率密度。

太阳能热能 - 一些未来用途需要热量而不是电力，例如工业铸造炉。聚光反射器可以很容易地实现这一点。使用局部散装质量的热存储可以弥合夜间电力需求。材料在白天被加热，存储的热量用于在晚上运行发电机。这避免了在更高的电力需求下需要大型电池。

核源 - 与热电发电机耦合的放射性同位素衰变热量已在小型科学任务中用于太阳系外部，或者当行星表面上的白天阳光和电池不足时。许多使用热电或热离子发电机的小型反应堆已经飞行。对于未来应用，例如更高功率的推进或地面栖息地，人们提出了使用热机发电机的反应堆，它们更有效。如果聚变反应堆得到发展，它们将在太空中非常有用，因为当你远离太阳时，氢很丰富。

束能 - 地球上的文明对能量的需求越来越大，但化石燃料是不可持续的。近年来，地面太阳能电池板变得很受欢迎，但轨道位置平均每块电池板可以提供七倍的能量。这是因为地面有夜晚、天气和大气吸收。大型太空太阳能发电厂可以通过有效的微波束将电力发送到地面。轨道太阳能的优势是几乎 100% 的运行时间，以及没有碳排放或核风险。一个缺点是地面集电器的大小受传输波长和轨道站距离的控制，因此它有一个最小尺寸才能有效地工作。这可以通过使用更短的波长或更低的轨道在一定程度上得到抵消。要对地球来说可行，整个系统（轨道和地面集电器）的成本需要比地球上的太阳能电池板低 7 倍，否则使用地面电池板会更便宜。替代用途是将电力从轨道束射到月球表面基地，以补充夜间电力。

在目前的发射成本下，通过交换发射器和接收器的位置，将电力*向上*束射到太空在经济上是有道理的，因为轨道上的电力比地面的电力更有价值。以可见光或微波的形式，这将补充从阳光获得的机载电源。对于低空轨道拖船，这种补充特别有用，因为地球的阴影覆盖了典型低轨道的 40%。

激光电力传输是一个未来的可能性。光束生成效率较低，但由于波长较短，它可以更容易地聚焦在长距离上。用途范围从从地面为发射载具供电，到使用太阳作为引力透镜的星际任务。在存在合适的大气层的情况下，例如像金星和火星一样富含二氧化碳的大气层，大气层可以用作激光介质来产生强大的光束。据知，这个概念尚未得到详细探讨。

工程环境

整个太空，以及地球上的许多地方，都有不适合人类或高等生命的条件。在地球上，我们应用各种工程和技术领域来改变特定地点的自然环境，例如建筑物、船舶和飞机。常见的改变条件包括温度、防风雨保护以及压力（在飞机和潜艇的情况下）。在太空中，我们必须改变其他条件，例如大气成分（或完全没有大气层）、长期停留的重力水平、辐射水平以及其他参数。在某些情况下，环境将为植物（高二氧化碳比率）或机器而不是人类而设置。迄今为止，工程太空环境包括在车辆中的短期旅行，即使在太空服中的时间更短，以及在空间站中长达一年和最多 6 人的时间。

未来的项目可能包括更大的人口和更长的停留时间，在太空中建造栖息地而不是发射已经建造的单元，以及生产和回收空气、食物和水等基本需求。原因包括更长时间的探索和科学，商业和工业活动，以及在有趣和独特的地方生活的愿望。未来的太空环境项目包括

太空栖息地 - 人类在地球上进化，因此它是我们所知的唯一一个无需科技帮助就能生存的地方，即使是短时间内。地球上的一些地方，比如南极洲的大部分地区，即使没有衣服，短时间内也会致命。自然界中的栖息地为特定物种提供生存的合适条件。人工栖息地，如房屋和温室，是专门建造的设施，提供合适的条件。太空栖息地提供这些条件，但位于太空，而不是地球。它们与航天器和空间站的区别在于长期居住和规模。理论上，太空栖息地可以为一个人建造，但所需的技能和心理可能将下限设定在 6-8 人左右。另一方面，旋转轨道栖息地的连接组件或紧密编队，或大型非旋转栖息地，可以支持行星规模的人口。表面栖息地可以从小型的加压模块到永久基地和城市。在极限情况下，整个月球或行星可以转变为宜居条件，这被称为地球化。在很长一段时间内不需要支持行星规模的人口，因此目前大多数工作都集中在规模较小的方面。

由于人类和农业喜欢的环境参数相当狭窄，因此栖息地无论大小都具有相似的功能。这些功能包括

大气维护 -
温度控制 -
人工重力 -
照明 -
辐射水平 -
食物供应 -
水供应 -
废物处理 -

人工栖息地的质量密度远低于自然栖息地。例如，空间站每人使用大约 100 吨，而地球大约使用 5 万亿吨。因此，在太阳系中建造的栖息地可以支持更多的人口，为当前的人口水平提供更大的生活空间和能源使用，或者仅使用一小部分可用资源。

封闭式生命支持 - 所有包含人员的太空项目都需要某种生命支持系统。迄今为止，这些系统一直是“开放式”的，因为它们需要来自外部的氧气和食物供应。“封闭式”系统循环利用部分或全部用于维持生命的材料，因此存储或新交付的供应量可以减少。如果与当地提取所需材料相结合，外部供应可以完全消除。水、空气和食物是主要的循环利用项目。封闭系统可以是人工的，使用机器和化学过程，也可以是生态的，使用生物。至少对于食物而言，人们更喜欢天然种植的物品，而植物自然会产生氧气，因此这往往会导致大多数生态系统。封闭式生命支持系统可以与人类生活空间相结合，例如包含生活区和农场区域的栖息地穹顶。或者，温室可以针对植物生长条件进行优化，包括高 CO₂ 水平，而人们则使用呼吸设备和遥控。

栖息地建造 - 从地球发射涉及穿过大气层，在那里大型尺寸会增加阻力，而非常大的物体在机械上不适合安装在直径为几米的运载火箭上。因此，空间站是由许多较小的预制组件在一段时间内组装而成的。未来更大的项目可能使用多种轨道建造方法。折叠式结构，如太阳能电池板，已经被广泛使用了几十年。为了容纳大气层，过去一直使用刚性压力容器。充气结构在发射时被折叠，目前正在进行演示。未来，大型栖息地可以从以紧凑形式发射的组件组装而成，或者在太空中就地制造。

循环利用的运载工具 - 传统火箭将最后级以及有效载荷送入轨道。通过给最后级加油，或者将最后级油箱和结构改装成其他用途（如有人居住的加压模块），可以节省一些有效载荷重量和体积。例如，天空实验室空间站是由改装的土星 5 号第三级制成的。改装可以在发射前进行，如天空实验室的情况，可以安装用于后期改装的准备工作，如加注和连接后期硬件的连接，或者最后级可以完全不改动，所有改动都在轨道上进行。一些研究是在将航天飞机外部油箱重新用于加压生活空间或轨道制造的生铝等用途，但这些研究没有发展到实际项目。最后级的加注也已经过研究，但没有经过测试。

运输

太空运输在到达轨道之前就开始了，以弹道导弹的形式。它今天仍然需要，用于交付新设备和设施、货物和原材料。迄今为止使用的主要运输方式是化学火箭，既用于从地球发射，也用于太空任务。最近，使用运载飞机、离子电推进、气动减速和引力弹弓的空气呼吸推进也被使用。太阳帆、电动力和更高速度的空气呼吸发动机处于实验阶段。本书第二部分更详细地介绍了现有和未来的运输方式。只要太空项目存在，这些方法将继续需要。一些未来的运输应用包括

消除危险 - 太空和地球上存在着人工和自然危险，运输方法可以消除它们或将它们放置在安全轨道上。人工危险的类型包括来自旧卫星、空火箭级以及它们的碎片的太空碎片。在约 2000 公里高度以下，这种碎片的密度高于天然的小流星体。将核废料和极度危险的生物材料从地球运输到太空中的更安全地点已经过研究，但目前成本太高。碎片撞击会损坏在轨卫星，而后者由于同样的原因价格昂贵，因此消除碎片的经济理由更充分。

已知小行星和彗星撞击太阳系中各处的大型天体，包括地球。证据包括每个固态天体上的撞击坑、一颗彗星撞击木星，以及目前地球上的陨石坠落。未来的一个项目是改变正处于危险路径上的小行星和彗星的轨道。人们一直在进行广泛的搜索，寻找靠近地球的天体，随着用于此目的更好的望远镜的建造，它们的发现率正在增加。月球撞击经常被忽视，但更多的质量可以从月球上抛出，因为它更小，最终落入附近地球更大的引力场中。一块 1 吨的月球碎片和一颗百万吨级的小行星一样能杀死你，但死亡的时间和空间分布更为分散。移动或摧毁危险天体的技术还处于早期实验阶段。

长周期彗星在当前技术下，直到它们到达距太阳约 10 个天文单位的距离才能被探测到。如果一颗彗星正朝着地球飞来，则没有时间安排改变它的轨道，因此唯一合理的处理方法是使用一个装有一个或多个大型核弹的拦截器将其碎片化或摧毁。彗星轨迹很难预测，因为它们具有以气体喷射的形式出现的气体火箭推进器。未来的项目可能会将搜索望远镜放置在更远的地方，以便更早地发现这些彗星。它们还可能将拦截器放置在更远的地方，进入太阳系，以便碎片有更多时间分散。如果有更多的时间，可以使用危险彗星本身的物质作为推进剂将其偏转，或者可以偏转另一个较小的天然天体使其与之相撞。

星际运输器 - 将物体的描述传输到另一颗恒星的能量，即使是原子级别的，也比将物体从一颗恒星物理移动到另一颗恒星的能量低一百万倍。在遥远的未来，在第一个探测器在另一颗恒星上建立接收/复制站之后，其他物体更有效地被扫描、传输并在接收端重建。使用原子级技术（如扫描隧道显微镜），最终可能会以这种方式扫描和发送人员。以光速旅行的主观时间将为零，尽管实际传输时间仍然受光速支配。

科学与探索

1960 年代的太空竞赛结束后，科学和探索成为地球轨道以外任务的主要动力。它们在近地轨道也一直是重要的动力，但不再是主要的动力。这些领域的大部分工作都由政府机构支付，因此它们的速度受到可用预算的限制。自阿波罗计划以来，人类还没有前往近地轨道以外的地方，但大量的太阳系探测器已经访问了所有已知的行星，还有一些小行星和彗星，其中 5 个已经离开或正处于离开我们家园系统的轨道上。

长期以来，人们一直在讨论未来人类对月球和火星的探索，但主要受限于资金不足。目前大型**太空发射系统**（SLS）火箭、低成本商业运载工具以及包括利用太空资源在内的更先进技术的开发正在改变这种状况。由于资金有限，“月球 vs 火星”和“人类 vs 机器人”的争议性论点阻碍了项目规划。实际上，这些都是错误的选择。凭借更先进的技术，多个目的地可以负担得起。机器人可以为人类铺平道路并提供帮助。利用商业系统可以带来规模经济，这是政府预算无法单独达到的。正确的方式是，科学和探索为未来的商业和工业活动铺平道路，而商业和工业让科学和探索更实惠。本书第 4 部分在综合长期项目规划的背景下讨论了这两种类型的项目。

目前规划了许多天文仪器和行星际探测器，还有更多正在提出，但时间太久远，还没有获得资金。除了地球低轨道之外，只有少数人类任务正在开发或详细规划阶段。虽然技术工作正在进行，但尚未制定月球或火星任务的详细计划。

通讯

利用太空进行通信已经发展成熟。截至 2014 年底，这是 1261 颗运行卫星中 52% 的主要用途。基本上所有其他卫星都具有某些通信功能。如果成本降低，太空通信的应用将在卫星宽带等领域增加。由于与地面服务相比，成本更高，技术限制更大，因此目前这项技术的使用并不广泛。未来一个大型低轨道卫星网络可以克服一些限制，并提供全球覆盖。迄今为止，大多数卫星通信都是通过微波无线电进行的。已经进行了一些激光传输的实验，激光传输可以提供更高的带宽，特别是对于地球轨道以外的位置。

**引力透镜中继** - 像恒星这样的巨大物体可以通过引力弯曲光线。如果你从恒星上足够远的距离（对于太阳来说至少 550 个天文单位）旅行，光线就会到达焦点。未来的一个项目将利用恒星作为巨大的透镜，将通信聚焦到星际距离。为了实现最佳信号中继，你将在恒星对之间使用这样的引力透镜，并在传递到下一个恒星之前增强每个恒星上的信号。这样的网络可以连接整个银河系，尽管光速给实际使用带来了重大障碍。引力透镜也可以用于天文学，这需要最少的努力，因为你只需要在太阳附近配备设备，以及用于向远距离航天器进行能量传输。后者比通信需要更多的努力，因为功率水平要高得多。

娱乐

此类别包括**太空旅游**、**零重力运动**和其他纯粹为了娱乐的活动。地球上的旅游业占全球支出的约 3%，涉及每年超过 10 亿的旅行抵达人数。有充分的理由相信，如果只是极端成本和重大风险降低，很多人会到太空旅行寻求娱乐。零重力下的观赏性运动可能会比一般旅行更早出现，因为顶级运动员的收入已经与宇航员进入轨道的发射成本相当。比赛或奖项竞赛也是有可能的，因为像**美洲杯**这样的赛事已经吸引了巨额预算，并涉及高科技。这样的比赛也将在促进太空技术改进方面发挥积极作用，就像**谷歌月球 X 大奖**正在展示的那样。

[待整合的注释]

大型火箭方法的问题在于，进行下一次旅行与进行上一次旅行一样困难。我们应该做的是建设基础设施，使未来的旅行更容易。我目前偏爱的方案（可能会随着新想法的出现而改变）是

在厄瓜多尔一座山峰上使用超高速炮，定期发射少量补给货物，每次发射几十到几百公斤。使用机器人进行最初的组装工作，在那里建立一个载人基地站。人们随后通过普通火箭到达。

在你的低轨道站，组装 VASIMR 型等离子火箭，这些火箭可以飞往附近的陨石并返回其重量约 20 倍的陨石质量。选择碳质陨石，并使用碳开始制造太空电梯缆绳。使用金属成分扩展轨道基地。使用氧成分作为未来旅行的更多燃料。

旅行。你需要一些化学和金属加工设备来完成这项工作，通过你的炮将它们运送到太空。

随着太空电梯缆绳的增长，使用等离子火箭逐渐提高轨道高度，直到它到达完整太空电梯的约 30%。这是目前我们可以制造的碳纤维的实际限制（如果我们以后学会制造更好的碳纤维，那就太好了，更新计划并升级纤维）。30% 非常有用。将到达地球轨道的速度降低 30%，可重复使用的一级入轨飞行器变得相当容易制造。70% 的轨道速度意味着相对于标准火箭，动能降低了 50%。

太空电梯缆绳上端高于轨道速度的 30% 几乎达到了逃逸速度（高于轨道速度的 41%）。因此，你几乎能够到达地球轨道以外的任何地方。从一开始，就是为了获取更多陨石物质来扩展你的系统。

月球轨道速度是地球轨道速度的 21%。因此，如果我们能够建造一个 30% 的地球太空电梯，我们就可以在月球上建造一个完整的太空电梯。现在我们可以以几乎不消耗燃料的方式从月球起飞和降落。

由于我们已经知道如何利用当地材料制造栖息地和氧气，并将 O2 用作燃料，因此我们可以将范围扩展到所有附近的陨石和小行星以及月球。当我们到达火卫一和火卫二时，我们可以建造一条通往火星的太空电梯。哦，对了，火星轨道速度是地球的 45%，所以我们的太空电梯技术可以

负责降落速度的 2/3，其余部分通过一些大气制动和着陆喷气机完成。在上升时，我们可以从火星大气层（其 CO2）中获得氧气，只需要达到轨道速度的 1/3 就可以到达电梯，因此往返火星在各方面都比较容易。

不，不一定是非周期轨道，这需要不断维护才能使其在两端保持对齐。我指的是一种 18 个月的轨道，其近地点靠近地球。每隔两年，你都有机会登上栖息地，搭乘它前往火星轨道附近。如果你将两个栖息地置于同一轨道，相位差 180 度，你每年都有机会。栖息地并没有闲置，它们正在从附近收集陨石物质并提取燃料，在温室中种植食物，制造着陆器的结构部件，等等。因此，当机组人员前往火星时，他们在途中会取货。

轨道的远地点足够靠近火星，不需要巨大的 ΔV 来追赶，如果你在栖息地补充燃料，普通的火箭方程公式就不像从地球独自前往那样适用。你只需要设置栖息地，使始终有一个栖息地靠近合适的位置以迎接地球，然后在火星附近放下你。这需要多个近地点位于地球路径不同位置的栖息地。

一个开发计划概念

IDEF0 流程建模

"建造合作社" 用于制造房屋和其他物品

开源硬件和遥控机器人

超音速和炮弹发射，

组装机器人，

莱奥站，

等离子推进器，Vex = 50,000 m/s F=ma=dm x v

小型近地小行星，

候选者：1992 UY4、2001 SK162、2001 PM9

陨石的铁成分平均为 90% 的 Fe、9.5% 的 Ni、0.65% 的 Co

提取用于等离子燃料的氧气

电梯

在 1 g 和 2400 m/s 的顶端速度下，r = v^2/a = 588 km，p = 1540 s

月球，

爱神星 + 谷神星，

火卫二

火星及更远