第 4.7c 节 - 太空港网络

太空电梯自 1895 年以来一直是一种理论上的运输方式。最初的想法不切实际。这一步增加了一种更实用的设计，作为从一个轨道快速有效地进入另一个轨道的交通枢纽。最初的建设可以使用来自地球的材料，但在更大的尺寸或地球轨道以外的位置，假定使用当地材料。

天钩概念

太空电梯的流行概念基于齐奥尔科夫斯基在 19 世纪末提出的原始设计。它涉及一个单一的塔/缆索，一直延伸到地球同步轨道 (24 小时) 地球轨道 (GEO) 之外。如果质量中心位于 GEO 并且与地球的每日自转相匹配，它将看起来相对于地面静止不动。理论上，到达太空就变成了乘坐电梯。这种简化的设计存在一些问题

• 地球重力井的深度 (6378 g-km) 超过最佳可用材料的标度长度 (碳纤维为 350 km) 18 倍，这需要结构与有效载荷质量比为 6500 万比 1。这将需要比世界制造的更多的碳纤维来提升合理的货物质量，并且永远不会经济，因为它需要花费太长时间来运输足够的有效载荷来证明这种大量结构的巨额成本是合理的。

• 它对将货物运送到低轨道毫无用处。在 GEO 以下的释放点会导致近地点低的椭圆轨道，但无法到达更低的圆形轨道。当部分建造时，它也无法从地面运送货物。

• 即使以 300 公里/小时的速度运行的磁悬浮电梯轿厢，也需要 5 天才能将一个有效载荷运送到 GEO，并且一次只能运送一个有效载荷。

• 一条单根缆索在被自然或人为碎片击中时会灾难性地失效。一条超过 35,000 公里的缆索有很多区域暴露在这样的撞击中。

天钩 概念解决了所有这些问题。它不是一个固定在固定位置的静止缆索，而是一个在移动轨道上旋转的缆索，就像一个想象中的车轮的两个辐条围绕赤道滚动，或者一个在移动轨道上保持相对于母体垂直方向的非旋转缆索。

• 非旋转的轨道天钩是行星表面到地球同步轨道太空电梯的短得多版本，它没有延伸到母体的表面，质量要轻得多，可以用现有的材料和技术经济地建造，并且在其成熟形式中，其成本与人们认为使用太空电梯可以实现的实际成本具有竞争力。它的工作原理是从相对较低的轨道高度开始，向下垂下一根缆索到地球大气层之上。由于缆索的低端以低于其高度的轨道速度移动，因此飞往天钩底部的发射器可以比它自己承载更大的有效载荷。当缆索足够长时，使用可重复使用的发射器进行单级到天钩的飞行成为可能，而且价格几乎任何人都能负担得起。

• 一个全轨道速度旋转的天钩将结构要求降低到大约 2868 g-km，因为只有顶端承受地球的全部重力。中心处于轨道状态，因此加速度载荷为零。这立即将理论质量比从 6500 万比 1 降低到 3620 比 1。质量与顶端速度之间仍然存在指数关系。由于传统火箭的质量与速度之间也存在指数关系，因此将工作分配到两者之间是有意义的，因为两个指数的总和，例如 e^2 + e^2 = 14.8 小于单个指数的组合功率，即 e^4 = 54.6。天钩和来自地球的车辆之间工作的最佳分配将取决于技术细节和成本，但简单地将一半分配给每个结果将导致理论天钩质量比为 60 比 1。真正的设计将更重，但 60 比 1 是一个可行的起点，而 6500 万则不是。对于具有多次飞行寿命的单级火箭，达到一半的轨道速度是完全可行的。

• 假设顶端位于 1 个重力，一个旋转天钩的顶端速度为轨道速度的 30%-50%，其半径为 500-1400 公里。中心点需要位于该高度加上足够的高度，以使顶端不会陷入浓密的大气层并产生阻力 (100-200 公里)。从天钩中心 600-1600 公里高度释放，可以进入近地轨道。

• 部分建造的天钩仍然可以正常工作，因为剩余的速度由地球车辆提供。在建造过程中，速度分配更多地倾向于地球车辆。这会降低有效载荷质量，但它仍然可以交付一些。特别是，如果您的有效载荷的一部分是更多的天钩结构，那么该有效载荷将在以后的航行中通过增加的有效载荷来支付自身成本。这是“通过自己的皮带提升自己”的字面意义上的版本。

• 相同速度的快速电梯轿厢以 300 公里/小时的速度可以在 2 到 5.3 小时内到达中心。如果您的目的地是高轨道或地球逃逸，您根本不需要乘坐电梯。您可以等待天钩旋转半圈，然后放开，此时您将以轨道速度加上顶端速度前进。为了想象这一点，想想自行车轮的顶点。它相对于地面移动的速度比中心快。半圈只需要 10 到 20 分钟。

• 太空碎片无法消除。即使所有在地球轨道上的航天器碎片都被消除，流星的自然流量也会继续。因此，天钩的设计必须考虑到这一点。最实用的方法是使用多个冗余缆索来分配载荷，以便切断一两根缆索不会造成灾难性后果。这些缆索应该间隔足够远，以便任何单个物体只会撞击一两根。这些缆索也应该定期交叉连接，以分配断裂周围的载荷。然后，修复断裂就变成了更换一根缆索的短段。由于您有能力在原始建造过程中安装段，因此您可以将段替换为维护工作。

天钩应用

月球和火星的重力井比地球小，分别是 22 和 5 的比率，因此使用相同材料的天钩可以完成与地球相比更多的运输工作。但在这种逐步组合系统示例中，首先要离开地球。我们将在本文中讨论其他位置，但实际建设将推迟到需要轻松运输到这些位置为止。

月球天钩

由于月球的重力井很小，因此有两个系统是可行的。第一个是弹射系统，用于从月球上发射散装材料。弹射器使用由电机驱动的旋转缆索，将有效载荷直接抛入月球轨道，然后由收集系统接收。第二个是轨道天钩，它可以在靠近表面的零速度处卸货和接收货物。

弹射器 - 玄武岩纤维 类似于玻璃纤维，它们是一种挤出的矿物质。它们的强度为 4800 兆帕，或碳纤维的 80%，密度为 2.7 克/立方厘米，或碳的 50%。因此，玄武岩纤维的标度长度为 178 公里，大约是碳纤维的一半。月球的黑暗区域（玛丽亚或海）被玄武岩熔岩覆盖，所以存在着非常丰富的原材料供应。如果月球弹射器将玄武岩送往轨道加工厂，或将已在月球上纺成的纤维线轴送到轨道加工厂，那么就可以用当地材料建造月球天钩。月球玄武岩作为天钩的选择必须与从地球运来的或由近地天体碳制成的更高性能碳纤维进行比较。当然，对于月球表面建设来说，它的优势在于它非常本地化。

弹射器也可以在地球或火星上建造，但在地球上，需要将其放置在高塔上，高于大气层，才能获得显著的速度。与其他方案相比，这可能不是最好的方法。火星要小得多，大气层也更稀薄，还有非常高的火山，可以将弹射器放置在那里。因此，值得考虑在那里放置弹射器，将物资送入轨道。任何弹射器（月球或其他）都需要一个强大的电机供电。为了避免在停止装载下一个货物时浪费旋转能量，考虑使用两个弹射器，其中一个用作发电机，为另一个弹射器供电是有意义的。电机-发电机效率可以超过 90%，因此大部分能量可以回收。

天钩 - 月球的重力井在 1.0 地球重力下等于 287 公里。因此，即使对于强度较低的玄武岩纤维来说，重力井也只有 178 公里尺度长度的 1.6 倍。对于强度更高的碳纤维，其尺度长度为 361 公里，比例为 0.80。请注意，尺度长度是基于抗拉强度，实际设计将使用较低的载荷，并在裸缆之上留有余量。对于地球来说，理论重力井与碳纤维尺度长度之比为 18，因此相对来说，建造月球天钩要容易得多。换句话说，月球轨道速度为 1680 米/秒，小于下面假设的地球天钩的 2400 米/秒的尖端速度。这提供了月球表面和轨道之间的全部速度，而地球轨道版本只提供了 1/3。由于逃逸速度是圆形轨道速度的 1.414 倍，而完整的月球天钩能够以 2.0 倍的轨道速度释放货物，因此它可以处理远超逃逸速度的货物。通过攀爬到距中心某个半径的位置，并控制释放时间，可以获得各种不同的轨道。

除了将其用作往返月球的运输工具之外，工作组还有机会在 1.0 重力下将天钩用作休息地点，因为我们不知道 0.16 重力对人体的长期影响。月球表面的另一种选择是使用离心机获得 1.0 重力或所需的任何重力水平。完整的月球天钩的半径为 283 公里，在 1.0 重力下，旋转周期为 17 分 40 秒。由于月球轨道周期为 108 分钟或更长，具体取决于高度，因此天钩每轨道将旋转 6 次或更多次。如果轨道是赤道轨道，这将使它能够为月球赤道周围的多个位置提供服务，并在这些点之间以轨道速度免费运输货物。

赤道轨道是否最佳是一个悬而未决的问题。极地轨道将使天钩能够到达月球表面的任何地方，但通常每月只到达两次。月球的自转非常缓慢，因此自转对轨道速度的贡献只有 4.6 米/秒，占地球贡献的 1%。极地轨道可以安排为太阳同步轨道，轨道平面始终处于阳光照射下，而赤道轨道大约 40% 的时间处于阴影中。因此，为天钩供电的太阳能电池阵列在极地轨道上更有效。你可以让两个天钩绕月球轨道运行，只要你安排它们的轨道永远不会相交，例如，使用不同的高度。在这种情况下，你可能希望使尖端的重力加速度更高，从而使半径更小，并将人员快速沿着缆绳移动到更舒适的重力水平。

在任何月球天钩中，着陆器都需要一些推进系统，因为月球不是完美的球体。因此，尖端需要保持足够高，以避免任何地形的高点，并且需要进行一些机动以实现准确的着陆。如果你在不同的高度有两个天钩，那么车辆将需要更多的燃料才能着陆和起飞。

小行星天钩

最大的小行星，1 谷神星，赤道半径为 487 公里，一天长度（自转周期）为 9.074 小时。因此，赤道以 94 米/秒的速度移动。轨道速度估计为 360 米/秒。当黎明号宇宙飞船在 2015 年到达谷神星时（它在 2012 年至今一直在围绕第二大小行星灶神星轨道运行），将找到确切的数字。因此，天钩只需要 266 米/秒的差值才能着陆和拾取货物，然后以超过逃逸速度的速度将它们抛出。在这种情况下，1 g 处的半径为 7.25 公里。这足够小，可以在地球附近建造，然后整体运输到谷神星。将其置于轨道上将使人们能够轻松地进入最大的小行星进行开采。同步空间电梯将更长，并且不能提供 1 重力的环境，但可以用于将货物发射到远离谷神星的转移轨道或捕获进入的货物。

对于小型小行星来说，天钩并非表面访问所必需。即使是效率低下的化学火箭也不需要太多燃料来着陆，你也可以用机械方式将东西抛入轨道或逃逸。

火星天钩

帕沃尼斯山是火星上的一座大山。由于它位于赤道，因此是某种运输系统的理想地点。候选方案包括月球上的离心发射器或线性加速器。火星的质量更大，使其比月球更难，但地面运输系统仍然可以完成大部分或全部工作，以达到轨道速度。同样，火星轨道速度为 3.6 公里/秒，在天钩的范围内，并且有两个方便的前小行星（火卫一和火卫二）作为建造材料的来源。火星天钩很可能被放置在火星低轨道上，能够转移到地面以及火卫一、火卫二或逃逸轨道。

分离系统

弹射器可以与天钩结合使用，以实现更高的速度任务，同时降低总质量比。像月球一样小的天体不需要很大的质量比才能进入轨道，因此分离系统在额外的复杂性成本下不会获得太多收益。相反，地球拥有相当稠密的大气层，因此高速离心机将受到很大的阻力，除非放置在非常高的结构上。分离系统的最佳位置是火星，特别是其高耸的山峰，其山峰顶部几乎处于真空状态。通过将速度分配到两个系统之间，每个系统可以达到 1.8 公里/秒，这可以通过现有的材料和保守的质量比来实现。

设计参数

地球轨道天钩没有固定的设计，如上所述，而是随着时间的推移而增长。我们目前还不知道在给定情况下最佳尺寸是什么。然而，一个具体的例子使我们能够检查可行性并了解各个部分所需的条件。在本例中，我们将假设尖端速度为 2400 米/秒，大约是轨道速度的 1/3，并推导出其他特性。

设计输入

尖端速度 = 2400 米/秒

尖端加速度 = 10 米/秒^2 - 地球表面重力为 9.80665 米/秒^2。为了简单起见，我们使用 10。这为天钩上的任何人类提供了正常的重力。

推导值

天钩半径 = 576 公里 - 这是通过求解离心加速度公式 (a = v^2/r) 来找到半径。

旋转周期 = 25 分钟 - 我们知道圆周长为 2 x pi x r，在本例中为 3619 公里。用尖端速度除以它就可以得到时间。为了方便从发射场到达天钩，可以调整这些数字，使周期为轨道时间的偶数分数，即 100 分钟的轨道时间，旋转时间为 25 分钟。这样，着陆平台每次相对于发射场的位置都相同。

轨道高度 = 750 公里 - 如果天钩的尖端深入地球大气层，就会造成阻力和热量，最终导致天钩坠落。通过将尖端放置在至少 175 公里的高度，那么中心必须比它加上半径的高度高。确切的高度将是减少阻力与易于从地面到达之间的权衡。

轨道速度 = 7474 米/秒 - 从下面的公式中得出，其中 G 是万有引力常数，M 是地球的质量，r 是轨道半径，即地球半径加上轨道高度

$v_{o}\approx {\sqrt {\frac {GM}{r}}}$

发射载具有效载荷 = 13% - 一枚优秀的化学火箭的喷射速度为 4.5 公里/秒，空重为 10%。如果没有天钩，所需的总速度约为 9 公里/秒，这将导致有效载荷分数为 3.5%。减去天钩提供的 2.4 公里/秒，有效载荷将达到 13%，或提高 3.7 倍。确切的数字将根据发射载具的设计而有所不同，但这说明了天钩可以提供的有效载荷改进，以及建造它的部分原因。天钩最大的优势不是它带来的有效载荷增加，而是利用部分增量来提高车辆的疲劳寿命，而疲劳寿命是非线性关系，通常在结构增加 10% 时提高十倍。飞机和火箭的建造成本每公斤大约相同。这并不奇怪，因为它们都是由航空航天公司用相同的材料建造的。运输成本的巨大差异是由于飞机在使用寿命期间大约飞行 20,000 次，而火箭通常只飞行一次。通过将天钩带来的部分有效载荷增量应用于赋予发射载具较长的使用寿命，运行成本将大大降低。

投资回收期 = 1 到 76 次发射（平均 43 次） - 如果我们去除最后 100 米/秒的尖端速度，发射载具的有效载荷将从 13.07% 降至 12.56%。因此，最后 100 米/秒的增量效益是车辆质量的 0.51%。假设我们使用 东丽 T1000G 碳纤维作为我们的主要缆索材料。它的抗拉强度为 6370 兆帕，密度为 1.8 克/立方厘米。我们允许在裸纤维之上增加 40% 的重量，用于完成的缆索系统，以及 2.0 的安全系数。因此，工作强度降低到 2275 兆帕，在 10 米/秒 的尖端加速度下，工作长度变为 126.4 公里。

2400 米/秒 的天钩半径为 576 公里，加速度从中心的 0 变化到尖端的 10 米/秒，因此有效长度为一半，即 288 公里。然后缆索质量比为 e ^ (288/126.4) = 9.762:1。减去有效载荷质量，理论缆索质量为 8.762。由于此计算仅针对天钩的一臂，我们将其加倍至 17.524。天钩的有效载荷是发射载具的有效载荷 + 无燃料的空车结构（发射重量的 10%），总共为发射重量的 23.07%。然后，天钩缆索质量是发射载具重量的 404.3%。对 2300 米/秒 的天钩进行相同的计算，我们得到半径为 529 公里，有效长度为 264.5 公里，质量比为 8.106，缆索质量为车辆到达质量的 16.211 倍，即 22.56% = 365.7%。然后，缆索增量质量为 404.3 - 365.7 = 38.6%。由于我们从这个增量添加到天钩中获得了 0.51% 的有效载荷，如果我们使用发射载具来运送额外的缆索，它将通过有效载荷质量在 76 次发射中收回成本。如果我们从其他来源获得额外的缆索，例如我们的超高速枪或近地小行星碳，投资回收可能更快。

对整个天钩进行相同类型的计算，我们发现有效载荷从 3.5% 增加到 13%，即起飞质量的 9.5%。天钩缆索质量是起飞质量的 404.3%，因此有效载荷增加的投资回收期为 43 次发射。天钩的前 300 米/秒 增量将有效载荷从 3.53% 增加到 4.46%，增幅为起飞质量的 0.93%。它的半径将为 9 公里，缆索质量是到达质量的 7.25% 倍，即发射质量的 0.98%。因此，投资回收期为 1 次发射，缆索大致相当于其交付飞行有效载荷的 1/4。因此，天钩的第一部分具有立即的投资回报，并且非常理想。请注意，质量小于到达质量的天钩将没有足够的轨道能量来赋予到达的车辆。它需要连接到更大的“压载”质量，例如组装平台、批量开采的材料或收集的空间碎片。

质量投资回收与成本投资回收并不相同，但如果我们现在假设它们是相同的，在每月一次发射的相对较低的速率下，投资回收大约需要 3.6 年，从经济角度来看是合理的。由于缆索质量随尖端速度呈指数增长，早期部分的投资回收速度更快，而以固定发射速率进行的增长将需要更长时间。真正的投资回收分析必须考虑到实际成本而不是质量比，以及实际发射速率。如果从地球开发出更便宜的发射系统，那么即使有效载荷质量增加保持不变，天钩的成本效益也会下降。另一方面，如果流量增加，成本效益也会增加。无论使用什么数字，天钩质量随尖端速度的指数增长最终会出于经济原因限制其尺寸。那是当制造更大的天钩的增量成本超过增量有效载荷增加的价值时。我们强调，然而，随着新材料的出现、缆索输送方法的变化以及流量的变化，该限制可能会随着时间的推移而改变。天钩/发射载具交互作用很好地说明了为什么必须将组合系统作为一个整体进行研究，而不是作为单一技术或方法。

设计组件

结构

天钩的主要结构部件将是拉伸股。此外，还将有辅助结构来固定这些股，以及用于着陆平台、推进系统、栖息地和其他附着在结构上的物品。缆索不是稳定的结构，除非它们处于张力状态，因此对于天钩的中心部分，在开始旋转之前，我们假设一个核心刚性桁架结构。初始总半径为 2500 米，包括核心和缆索。这允许在 100 秒的旋转周期内在尖端获得 1.0 重力加速度。后一个数字的选择是为了让人类不会因快速旋转而迷失方向。初始栖息地将放置在 2500 米半径处。缆索纵向安装和并行安装以扩展天钩。

容错设计 - 人造卫星和轨道碎片是结构最大的撞击危险。目前，我们假设不清理地球轨道，尽管这是可取的。这样做将使风险降低大约十倍。如果我们假设在股线芯周围有一个 0.5 毫米的保护套，那么小于该厚度一半的物体只会形成一个弹坑，而不会穿透芯部。如果我们假设一个大型天钩在 1.0 重力下支撑 1000 吨的有效载荷，质量比为 8:1，那么总负载为 10 兆牛顿。鉴于 2275 兆帕 的工作强度，这需要 44 平方厘米 的总缆索面积。假设每股线直径为 2 厘米。那么我们需要 14 根承重股线，以及一些用于容错的额外股线，我们现在使用 7 根，总共 21 根股线。

任何大于股线直径 1/3 的碎片物体都可能造成足够的损坏，使其失效。根据 1995 年的轨道碎片评估，大约有 100 万个大小相同的物体。这会产生大约 10 ^ -4 每平方米每年 的撞击通量。如果我们希望每年的股线失效概率为 1%，那么我们允许 100 平方米的面积。由于假设直径为 2 厘米，因此允许的长度为 5000 米。我们以该间隔放置横向连接环以将负载分配到失效的股线周围。在每个环处，有 7 个点，每个点有 3 根股线扩展开来。由于设计上需要两根才能承受负载，因此第三根因碎片撞击而失效不会导致天钩总承载能力的降低。

我们不希望单个物体一次影响太多条缆索。在最坏的情况下，除了天钩之外，轨道上最大的物体，目前是空间站，不应撞击超过我们 7 条备用缆索。实际上，99% 的破坏性碎片小于 30 厘米，而且空间站处于主动控制之下，因此它永远不会撞击天钩，但我们正在考虑最坏的情况。由于空间站大约 120 米宽，如果缆索排列成圆形，并且共有 21 条，那么一个 120 米的物体不应与圆周的 120 度以上相交。做一些简单的几何计算，可得 120 米 = 半径的 50%，因此圆的直径约为 480 米，7 个连接点相隔约 200 米。一个桁架跨越每个连接点，形成一个 7 边形环。如果某条缆索损坏，则只需用天钩最初建造时所用的相同方法进行更换即可。只要缆索的更换速度至少与损坏速度一样快，天钩就可以无限期地维护下去。

以上计算仅为示例。对于真正的设计，您需要找到最佳的缆索直径和数量，而不是仅仅假设 2 厘米和 21 条。实际的碎片群并不都处于可能与天钩相交的轨道上。例如，空间站的高度约为 400 公里，只有当它处于垂直位置时，才能与天钩的底部 225 公里相交。可能会进行一些清理轨道碎片的努力。但即使没有，我们也可以设计出一个合理的设计，能够承受最坏情况下的损坏，并将预期损坏降至每年 1% 的维护工作。

着陆平台 - 它的功能有点像航空母舰的甲板，它是一个移动平台，车辆可以在上面起降。我们在上面假设天钩结构可以承受 1000 吨的载荷。这包括除了主体结构之外的所有东西，包括着陆平台。到达的车辆将会有更小的质量，暂时加到载荷上。与缓慢进行的零重力对接不同，着陆平台以 1 个重力旋转，因此着陆速度将类似于在地球上着陆。平台的大小将取决于车辆导航的精度。设计可以是水平平台，也可以是类似于锁扣或阻拦索的东西，比如航空母舰上使用的。在这种情况下，天钩这个名字就成了一个字面上的描述。另一种方法是使用垂直捕捉网。它的宽度和高度都足够大，可以成为一个很好的目标。车辆在它前面部署了冗余的捕捉锁，并且以稍快的速度到达，因此它撞击到网上，并捕捉到多条缆索。

假设着陆将是自动化的，用于无人货物运输，并配备雷达、激光雷达和其他辅助设备，使车辆能够进入着陆目标区域。着陆平台的大小是导航精度的一倍，以确保车辆有很高的概率击中目标。最佳设计是一个悬而未决的问题，但由于在地球上已经多次解决了以 1 个重力着陆的问题，因此对于这项任务来说也是可以解决的。

在交付完货物后，车辆只需在合适的时间松开或被推离平台即可。在最低点，平台是亚轨道的，因此车辆将自动再入大气层。车辆相对于赤道的速度将为 4600 米/秒，而没有天钩的火箭再入大气层的速度为 7400 米/秒。因此，车辆必须消散 39% 的动能，这使得隔热罩的设计变得容易得多。

低重力平台 - 低重力或零重力对于太空中的某些任务来说是可取的。您可以在天钩中心的特定距离处放置平台或加压舱，并获得从 0 到 1 个重力之间的任何值。对于真正的零重力，您需要使结构反转，使其不再随着天钩的其余部分一起旋转。这可能是一个沿旋转轴延伸的结构，就像车轮的轴一样，天钩缆索将是车轮的辐条。

电力推进

由于能量守恒的基本原理，向上运输的有效载荷比向下运输的有效载荷多，会导致天钩失去轨道能量，最终如果没有进行纠正，就会再入大气层。我们使用在早期阶段开发的高效电力推进器来维持轨道。实际上，电力推进器替代了发射运载火箭上效率较低的化学火箭发动机。电力推进发动机的推力太低，无法自行到达轨道，但通过将其连接到天钩，我们可以逐渐增加轨道能量，然后在短时间内将其传递给有效载荷。天钩成为一个非常高效的轨道能量存储电池，其能量密度约为地球上锂电池的 25 倍。

功率要求 - 对于我们送入轨道的每公斤有效载荷，我们将速度从 5074 米/秒改变为 7474 米/秒。这需要增加 15 兆焦耳的能量。由于一年有 3150 万秒，这意味着对于每公斤/年的有效载荷，我们需要 0.477 瓦的轨道能量。在地球轨道上，我们并非始终处于阳光照射下，因此太阳能电池板需要更大，才能平均达到这个功率水平，而且电力推进器也不是 100% 效率。使用合理的数字，即 60% 的阳光时间和 65% 的推进器效率，我们可以得到太阳能电池板需要的峰值输出为 1.22 瓦/公斤/年。如果我们想要每年运送 1000 吨，那么电源需要 1.22 兆瓦。出于政治和安全原因，靠近地球的核能已被排除在考虑范围之外。现有的太阳能电池板，考虑到 100% 的开销，其质量为 1.68 公斤/平方米，效率为 29.5%，而太阳常数为 1360 瓦/平方米。因此，它们产生的输出功率为 238 瓦/公斤，其质量为 5.1 吨。

推进器类型 - 对于近地轨道，有三种类型可通过短期技术获得：离子、等离子体或电动力。电动力消耗的“燃料”更少，但发展程度不及前两者。离子推进器发展成熟，但无法扩展到高功率水平。我们将假设使用等离子体推进器，但应该继续开发电动力推进器，并将这三种类型都视为候选者。目前正在开发的等离子体推进器设计为 200 千瓦的连续功率，因此天钩设计需要 6 个装置加上一些备用装置。推进器的估计质量为 3 吨。

燃料需求 - 每年交付 1000 吨货物，并增加 2.4 公里/秒的速度，我们需要以 50 公里/秒的速度喷射 48 吨/年的推进剂来维持天钩轨道。这可以与货物一起运送，作为 4.8% 的开销，或者如果从附近的小行星中提取材料，则可以来自小行星。后者更可取，因为它对发射运载火箭来说更有效率。

设计问题

太空环境

辐射环境

等离子体环境 - 电离层会导致电荷积累。

[待整合的文本]

多个较小的轨道系统，称为旋转器，可以执行大多数相同任务，并使用现有材料。每个旋转器都有一个较小的任务，因此所需的材料强度较低。我们还利用轨道力学在它们之间进行过渡，这完全不需要任何材料。已经对各种太空电梯概念进行了理论化，并在太空中进行了小规模实验。需要进行大量的研发才能使这项技术进入准备就绪状态。当交通量不大，而且大部分交通量限制在低轨道时，太空电梯的节省不足以证明其建设的合理性。因此，我们将其放在这个子阶段，在这个阶段，到达高轨道会使它们具有更大的优势。电梯研究可以与可变重力研究设施相结合，因为两者都可以使用旋转结构。最终的天钩网络可以为人员和货物提供绕重力井快速改变速度的功能，而电力牵引机可以执行它们之间以及前往现有网络之外的新地点的较慢转移。

天钩

以旋转天钩形式存在的太空电梯系统将允许使用高效的电力推进器来代替低性能的化学火箭，完成重力井中或轨道之间的大部分运输工作。第一个天钩可以建在近地轨道上，然后在更高的轨道上以及其他天体周围建造其他天钩。地球的重力井太深，目前无法用现有材料完全跨越，因此近地轨道天钩不是一个完整的从地面到轨道的电梯。尽管如此，将发射运载火箭的工作量减少 30%-50% 仍将带来巨大的成本降低。对于月球或火星等较小的天体，天钩可以跨越整个重力井。

作为一项大型运输基础设施项目，类似于地球上的桥梁或机场，天钩是在交通量需求时才建造，而不是提前建造，然后逐步扩展。天钩的材料，如碳纤维，可能来自轨道采矿和加工。在这种情况下，它们的建设将不需要从地球发射大量的物质。即使所有物质都必须从地球运来，改进的有效载荷的潜力至少证明了进行更多分析的必要性，以确定它是否可行。