第 2.1 节 - 结构方法

我们从结构类别开始回顾太空运输方法。最早的幸存人工结构出现在 23,000 年前，以Theopetra 洞穴入口处粗糙的石墙的形式出现。这堵墙可能是为了阻挡冷风而建造的，因为当时接近最后一次冰河期。创世纪 9:3 中提到了“顶端触及天堂的塔”，尽管第一千年的公元前烧砖、石头和焦油技术还无法胜任这项任务。直到 20 世纪后期，像碳纤维这样的结构材料才变得可用，这些材料足够坚固以执行有用的太空运输功能。结构只需要建造一次，但可以多次使用。因此，每次使用的成本随着使用次数的增加和结构寿命的延长而下降。这与迄今为止使用的主要太空运输方法——一次性火箭——的经济状况截然不同。

一般结构

为了太空运输的目的，我们想知道结构材料本身有多有用，而不是作为具有其他推进系统的车辆的一部分。为了找出这一点，我们可以从材料的特性中推导出性能指标。然后，我们将这些指标与从地表到达轨道或改变轨道的运输工作进行比较。这些指标相对于天体的重力井或轨道速度而言。

重力井

从概念上讲，重力井与侧面陡峭的水井有关，如果你发现自己身处底部，你需要爬出来，需要能量才能出来。对于大型天体，重力井的“深度”可以用天体表面重力乘以半径来表示，单位为 m²/sec²。可以认为，在恒定表面重力下爬到表面以上一个半径的高度与在实际的平方反比重力随距离减小的情况下爬到无穷远处的功量相同。对于地球，即 6,378,000 米，9.80665 米/秒^s（标准表面重力）或 62,547,000 米²/秒²。这是从物理学部分中的势能和万有引力公式推导出来的。

势能公式为 $-GMm/r$ ，其中 G 为万有引力常数，M 为大型天体的质量，m 为感兴趣物体的质量，r 为大型天体的半径。由于万有引力 g 为 $GMm/r^{2}$ ，因此势能可以表示为 $-gr$ 。由于通常 $F=ma$ ，将 g 除以物体质量得到每单位质量的势能为 $-ar$ ，其中 a 为表面重力加速度，r 为半径。这对于计算来说是一种方便的形式，因为大型天体的表面重力和半径通常都是已知的。

这种重力井深度的推导假设了一个非旋转的、均匀的、球形的物体。真实的天体在不同程度上偏离了这些假设。通过对简单公式的修正，可以确定真实天体上任何点的“深度”，前提是修正量很小。对于快速旋转或形状不规则的天体，可能需要对重力场进行数值积分。

尺度长度

在一般物理学中，尺度高度 H 是一个量变化e（2.718...）倍的距离。它最常用于描述大气压随海拔高度因重力而变化的情况。气体因重力而产生的压强变化也会发生在固体中。因此，为了结构工程的目的，我们也可以计算出柱子的尺度高度或缆索的长度。一根具有恒定水平（横截面）面积的垂直柱子或缆索的质量 m 为

m=DAh

其中 D 为密度，单位为 kg/m³，A 为横截面积，单位为平方米，h 为高度，单位为米。由其自身重量产生的底部（对于柱子）或顶部（对于缆索）的压力，可以通过常用的 F = ma 公式找到，其中加速度 a 在这种情况下是由于重力引起的局部加速度。用面积 A 除以得到每单位面积的力或压力 P 为

P=DAha/A=Dha

材料的抗拉强度或抗压强度 S 也具有力/面积的单位。将它们等同起来并解出 h，然后得到材料在失效之前可以承受的最大高度或长度 H 为

S=Dha

变为

H(scale)=h=S/Da

一根较高的等宽柱或更长的等宽缆会超过材料的强度，因此会坍塌或断裂。结构极限可能来自除重力之外的其他原因，例如离心加速度。因此，我们称一般情况为 **尺度长度**，因为它并不总是由于高度引起的。例如，普通钢材的强度为 275 兆帕，密度为 7800 千克/立方米，地球表面的重力为 9.81 米/平方秒，因此尺度长度为 3600 米。一根非常坚固的碳纤维/环氧树脂复合材料柱的强度为 1300 兆帕，密度为 1650 千克/立方米，因此尺度长度为 80 公里。由于地球的半径和等效重力井深度为 6378 公里，因此这种材料的重力井与尺度长度之比为 80:1。

尺度长度是一个理论值，就像材料失效时的极限抗拉强度一样。实际设计总是使用低于该值的值，以便载荷远低于失效点。我们可以将 **工作长度** 定义为尺度长度除以设计 **安全系数**，FS。这是一个失效时的极限应力与设计应力之比。它基于对材料失效方式的经验和深入理解。所选的值旨在将失效概率降低到针对特定目的的可接受水平。**安全裕度**，MS，是安全系数减 1。它代表结构能够承受的超出预期载荷所产生的应力量。这两个安全值都旨在考虑已知和未知的载荷变化，以及结构元件的实际强度与其理论设计强度之间的差异。例如，空间结构可能因撞击损坏或暴露在太空环境中而退化，不再像预期的那样坚固。

高效设计

等面积柱或缆对于小型结构来说设计和计算很简单，但对于大型结构来说不是高效的设计。这是因为载荷仅在大型结构的一端达到最大值 - 对柱来说是底部，对悬挂缆来说是顶部。恒定应力设计而不是恒定面积设计可以通过充分利用材料的安全应力极限来最大限度地利用材料。因此，横截面积必须根据局部载荷而变化。这样可以最大限度地减轻重量和成本，因为您只在任何点使用所需的结构。例如，摩天大楼的支撑柱在底部通常更大更厚，因为它们支撑着整个建筑物及其内容物，而在顶层附近，它们支撑着上面的重量要少得多。

对于一个支撑质量位于顶部的柱，在顶部以下的每个部分都必须支撑该重量加上该点以上柱子的部分。因此，柱子必须在向下移动时支撑越来越大的载荷，并且需要更大的面积来保持单位面积应力相同。类似地，对于一个底部有质量的缆，缆上的每个点都支撑着该质量，加上该点以下的所有缆。因此，缆的横截面积应随着向上移动而增加以支撑增加的质量。柱和缆的增加量为 1/(工作长度) 每米，因为工作长度表示应力因结构本身而增加 100% 的距离。分数增加基于支撑质量 + 结构质量之和。每米载荷的恒定分数增加导致指数锥度，按 e (2.718...) 因子变化每个工作长度。换句话说，横截面 **面积比**，AR，其中 h 是总长度，是

AR={\frac {A(bottom)}{A(top)}}=e^{h/(H(scale)/FS)}

理论上，面积增长没有限制，您可以继续使结构在底部或顶部变厚。因此，理论上您可以用任何材料建造任何高度或长度的结构。实际上，真实材料的面积指数增长意味着结构质量和成本的类似增长。在某个点，设计变得无法建造。该点在哪里取决于结构的用途。对于像地球这样的大天体来说，可行性尤其重要，因为重力井与工作长度之比很高。如果您尝试用单个结构跨越整个重力井，这会导致面积比公式中出现很大的指数。

尖端速度

一些大型结构涉及围绕中心的旋转，而不是在一个重力井中垂直排列。这仍然会导致锥形设计，但加载力来自离心加速度而不是重力。旋转物体上任何半径处的离心加速度的一般公式是

a=v^{2}/r

其中 v 是速度，r 是到中心的距离。每次旋转周期所行进的距离为 $2\pi r$ ，因此尖端和中心之间任何点的速度与 r 成正比。因此，任何点的加速度都随半径线性变化，并且整个半径上的平均加速度是尖端加速度的一半。与垂直结构相同类型的恒定应力设计会导致旋转结构从中心到尖端逐渐变细。我们没有垂直结构沿长度的近乎恒定的重力，而是在旋转结构中具有强烈的变化加速度。当旋转结构靠近大天体时，除了离心力之外，我们还有重力。随着结构旋转，重力的方向和强度将相对于旋转的离心加速度而变化。如果结构还在轨道上，它也具有轨道运动的离心加速度，这可以很大程度上抵消重力带来的离心加速度。

由给定材料制成的旋转结构将从中心到尖端的不同加速度积累应力。由于加速度从中心的零线性增长，平均值为尖端加速度的一半。当 a(tip) x r(tip) x 0.5 等于工作长度时，我们与在恒定重力下垂直结构的累积应力相同。尖端的速度，v(tip) 然后成为材料的特征值。我们可以将一个尺度应力下的特征尖端速度与它运行或靠近的行星或天体的轨道速度进行比较。这为我们提供了一个衡量旋转结构在该位置有用性的指标。例如，如果尖端速度 = 轨道速度，您可以在地表建造一个机械装置将有效载荷抛入轨道，或者如果尖端速度抵消轨道速度，则以零地面速度从轨道下降。与垂直结构一样，您可以建造旋转速度快于其特征速度的设备，但代价是增加锥度系数，从而相对于支撑载荷或有效载荷增加质量。对于像地球这样的大天体，需要较大的锥度系数才能匹配轨道速度，但可以使用较低的尖端速度建造有用的设计。

材料属性

有大量已知材料，每种材料都有其自己的结构特性，并且定期开发新的材料。 **材料科学** 是一个涉及理解、开发和应用材料的领域。这是一个成熟的学科，可以通过教科书、手册和在线课程进行探索，例如来自麻省理工学院的 **材料科学与工程系**。

图 2.1-1 展示了一些地球上常用的材料，以及一些可用于需要高强度的太空项目的材料。强度并不是材料选择中唯一重要的属性。在进行详细设计时，应全面搜索可用材料，并考虑所有相关属性，然后再做出最终选择。真实的结构设计将包含安全系数，该系数未包含在本表中，并且还将包含连接配件和涂层等项目的结构开销。开销可以被视为需要承受的额外载荷或材料有效强度的降低。

最强的材料是纤维，它们在拉伸方面很强。为了将它们用于压缩结构，必须将它们嵌入其他材料的基体中以赋予它们稳定性。否则它们会像线一样弯曲。例如碳/环氧树脂，它将碳纤维封装在环氧树脂基体中。典型的面积比例为 60% 纤维和 40% 基体。环氧树脂本身作为塑料相对较强，但大部分强度来自纤维。我们没有列出碳纳米管纤维或金刚石等单晶固体，因为我们还没有办法以足够大的块状或数量生产它们，以用于大型太空项目。它们具有非凡的强度，但在它们能够大规模生产之前，它们还不能用于大型结构。

A. 静态结构

结构方法分为两大类，静态和动态。动态结构将在下一节中讨论。静态结构的各个部分在彼此之间的关系中基本固定。整个结构可能相对于地面移动，例如国际空间站的主桁架。大型结构的设计主要受强度与密度之比，即比强度的支配。该比例通过除以局部加速度转换为尺度长度。大型结构的其他重要属性包括刚度、性能的温度依赖性以及对周围环境腐蚀的抵抗力。

通常需要某种方法来穿越结构的高度或长度。这些方法包括：传统电梯（不需要进一步解释）、增量绞车、线性电机或轨道，以及流体传输

增量绞车 - 与传统电梯一起使用的悬挂电缆跨越整个高层建筑的高度，最终会复制主支撑结构的载荷，并且会非常庞大。增量绞车配备了一个小型电机驱动的滑车，该滑车在沿着结构向上爬升时会拉动一段电缆。电缆从电梯隔间的卷轴上展开。然后，滑车将电缆钩到结构上某个合理距离处的固定点。在此期间，货运电梯保持连接到结构的下一个较低点。然后，电梯像绞车一样卷动卷轴，将其从一个连接点拉到下一个连接点。通过这种方法，电缆的长度和质量保持在相对较低的水平。电梯轿厢需要绞车的动力。这可以通过连接到主结构的轨道或电线、连接到电梯隔间的太阳能电池板或其他电源，或者从外部来源进行无线电力传输来实现。

线性驱动器 - 这种驱动器使用牵引力或磁力而不是电缆来攀爬结构。牵引力将使用摩擦压力作用于轨道或电缆，或使用齿轮驱动器作用于线性齿轮轨道。磁力将使用充当电动机的线圈，但线圈不是以圆形排列并产生旋转，而是以直线排列并产生线性运动，就像普通电机一样。磁悬浮列车（MagLev）就是以这种方式工作的。与绞车一样，它需要一个电源，例如电线或导电轨道。

流体传输 - 而不是移动电梯隔间，可以使用管道进行更大的体积传输。波音公司前工程师 Dana Andrews 博士建议将月球表面产生的氧气输送到月球空间电梯上的月球 L2 点。在 L2 上 0.1 个大气压和 1000 K 温度（可以使用太阳能加热管道使气体保持热量）的氧气柱，在底部将具有 2310 个大气压（234 MPa）的压力。因此，单个加压管道部分对设计施加了沉重的负载。更好的方法是在电梯上隔开一定距离安装抽水站，以使每个站的压力上升保持在较低水平。管道还可以用作气动系统，用于除了气体之外还运输货物。重力井的深度将决定这种方法的实用性。

无论使用哪种方法，将质量提升到与重力或离心加速度相反的方向都需要能量，根据势能变化 = mah，其中 m 是质量，a 是你提升所抵抗的加速度，h 是高度。例如，一台 2000 公斤的客运电梯在地球重力下以每秒 10 米的速度向上爬升，需要 2000 x 10 x 9.81 = 196,200 瓦的功率。

1. 塔

其他名称： 空间塔、巨型结构

类型： 通过机械牵引获得的势能

描述

塔是自支撑的压缩结构，其主要目的不是居住。当主要目的是容纳人员时，我们称之为高层建筑或摩天大楼。埃菲尔铁塔 可能是最著名的例子，但它们也常被用作发射塔，例如w:东京晴空塔（图 2.1-2）。正如上面示例材料性能表中所述，先进的航空航天材料的尺度长度可达数公里，因此可以建造这种尺度范围内的塔。此类塔可以被用作高海拔天文台、推进式车辆的发射台或加速器系统的支撑结构。

设计 - 从理论上讲，可以建造无限高度的塔。但是，在一定高度时，底面积以及总结构重量和成本的指数级增长使它变得不切实际。例如，让我们假设结构安全系数为 2.5，并且发射塔被多次使用。那么塔的质量可能被限制在顶部火箭和设备质量的 100 倍。那么，地球上的碳纤维/环氧树脂塔的高度将被限制在大约 150 公里。

在真实的结构中，除了结构本身之外，你所支撑的载荷（质量）可能不会全部都在顶部。然后设计计算必须考虑载荷是如何沿着高度分布的。此外，在地球上大约最下面的 20 公里处，必须考虑风荷载、积冰和其他环境影响。在 20 公里以上，紫外线和原子氧会攻击某些结构材料。这在低海拔时通常不是问题，因此你需要为结构提供一层保护层，或者选择不同的材料。

一座大型塔通常会建成桁架结构，就像东京晴空塔的例子一样。桁架中垂直构件之间的空间赋予它稳定性，但它不必是实体结构才能支撑大多数合理的太空相关载荷。如果在桁架构件的长度方向上施加过大的载荷，它们会弯曲 - 想象一下按压吸管或意大利面的两端。刚度或弹性模量 是材料对这种弯曲的抵抗力。为了最大限度地利用材料强度，设计通常使其屈曲（弯曲导致的失效）和压溃（直接载荷导致的失效）同时发生。对于高强度材料，这会导致单个构件的长度大约是其最小横截面的 20 倍。这也导致整个塔的高度大约是其底座宽度的 20 倍。这些只是通用值，真实的比率将由实际设计条件的结构分析确定。

建造 - 这些类型的塔可以“自上而下”建造，以避免在真空中进行人工建造。在这个过程中，塔的顶端部分在地面组装。然后，液压千斤顶将塔向上提升一个段的长度。然后，下一个较低的段被安装在顶部段的下方。重复逐步提升过程以完成整个塔的高度，因此所有建造工作都在地面附近进行。需要特殊的锚固措施来稳定塔，以便以这种方式建造。由于塔通常是锥形的，因此锚定质量、千斤顶和组装起重机必须随着塔的生长逐渐向外移动。如果使用遥控机器人进行建造，那么可以采用自下而上的标准建造方法。风荷载在 20 公里以下的海拔高度尤为重要，因为大气压与风速的乘积会导致最大的动压。为了减少这些风荷载，可以将结构构件封闭在可旋转的翼型中，与圆形或三角形支柱相比，翼型具有更低的阻力系数。

现状

目前最高的人造地面结构是位于迪拜的哈里发塔，高达 830 米（2723 英尺或 0.51 英里）。最高独立式结构是张力腿平台，从海底到地表平台顶部的高度为 1580 米（5200 英尺）。正在建造的最高建筑是位于沙特阿拉伯同名城市吉达的吉达塔。据估计，建成后将高达 1000 米（0.63 英里）。一些更大的高层建筑和结构 已经提出，但尚未开始建造。土木工程和建筑是高度发达的领域。存在适用于数公里高的塔的材料，尽管它们可能需要在建造技术方面取得进步。目前，这类塔的经济性更具限制性。

变体

1a 无缆塔 - 这种类型从其底部自支撑，就像一棵松树。像树一样，此类塔可能需要一个庞大的地下结构来分散重量和倾覆力，例如风力。底部直径通常为高度的 5-10%，以防止弯曲。在塔的较低部分，风荷载可能要求底部比仅依靠屈曲来确定其必要宽度的上部部分更宽。这种方法假设塔上的大部分荷载是垂直的，例如电梯上下移动塔的高度。碳-环氧树脂材料在压缩时可以承受高达 700 兆帕的压力。正在开发的最大火箭的质量约为 255 万公斤。如果我们以火箭发射平台之类的示例用途为例，允许总共 1000 万公斤的重量放在塔顶，则荷载约为 100 兆牛 (MN)。然后，这种荷载可以由 1/7 平方米截面的碳-环氧树脂柱支撑。这远小于约 2500 平方米的最小发射平台尺寸。因此，这些柱可以是空心管，并且这些管在开放式桁架（图 2.1-2）中彼此间隔开。垂直结构元素之间的空间可用于其他目的。

1b 缆索桅杆 - 桅杆是通过斜撑（如绳索或钢丝）稳定的结构，就像帆船的索具。斜撑可以更好地抵抗侧向力，例如风力。由于天线本身并不重，因此这种方法通常用于电视和广播塔，因此主要荷载是轻型塔结构上的风力。一个非常高的结构可以在风力显着的较低 20 公里处结合斜撑，并在上部部分自支撑。

1c 塔系列 - 用于人员和易碎货物的电磁加速器可能长达数百公里，其上端高出数公里，以避免空气阻力和热量，形成一个长斜坡。要支撑该设备，您可以使用一系列高度不断增加的塔作为支撑，并在它们之间使用类似于悬索桥的连接结构。

1d 可充气塔 - 许多材料在拉伸方面比在压缩方面更强，因此像ThothX 塔这样的概念已被提出，使用内部气压将结构置于拉伸状态并支撑荷载。

参考资料

Krinker, M., 太空塔新概念、想法和创新的综述, 2010。

2. 太空电梯

其他名称： 天钩、豆茎、雅各布天梯、太空桥、地球同步塔、轨道系留

类型： 通过机械牵引获得的势能

描述

1895 年，航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受到最近建成的埃菲尔铁塔的启发。他设想建造一座通往地球同步轨道的塔，该轨道的轨道周期与地球的每日自转相匹配。我们现在将任何类似的概念称为太空电梯，因为您可以使用电梯而不是火箭进入太空。由于顶部与局部轨道速度匹配，您可以简单地放手，然后进入轨道。齐奥尔科夫斯基的概念更像是一个思想实验，而不是一个实用的设计，因为在 1895 年，不存在任何接近所需强度的材料。

该概念的更现代版本（图 2.1-3）假设一根拉伸的缆索而不是一座塔。这是因为像 PAN 衍生的碳纤维这样的纤维目前是强度最高的可用块状材料，而建造太空电梯需要大量的块状材料。电梯低于静止轨道的那部分受到的重力大于离心加速度，如果不受支撑就会掉下来。因此，该版本需要一个高于该轨道的配重，在那里离心加速度大于重力，然后该配重向上拉动连接的缆索。这种版本的太空电梯通常在流行插图中使用，但 21 世纪初的材料仍然不够坚固，无法使这种尺寸的电梯实用。然而，具有较短缆索的较小版本可以实现可行的设计。我们可以称这些为分阶段电梯，因为它们只提供部分速度来达到轨道，与多级火箭的级数意义相同。需要不同的运输方式或多个电梯级才能完成到达轨道的全部工作。

如果分阶段电梯没有连接到地面，它们就不需要以 24 小时轨道为中心，也不需要以与地球相同的速率旋转，从而产生一整类可能的结构。它们可以位于任何需要的轨道上，并且从地面上看它们似乎在运动。对于比地球小的天体，完整的电梯更可行，因为较小的重力阱可以用现有的块状材料跨越。如果未来的材料强度比目前的碳纤维强 3 倍左右，那么原始的单级电梯将在结构材料方面变得可行。它仍然是一个非常大的建设项目，并且还需要克服其他技术挑战。电梯的旋转状态可以是垂直的，从惯性空间看，它每轨道旋转一次；摆动，它相对于垂直方向变化一定角度，但相对于地面没有完全旋转；或旋转，它相对于地面旋转。旋转方向可以是向前的，即与绕行星的轨道方向相同，也可以是向后的，即相反方向。通常它应该是向前的，因为这会导致底部相对于地面的速度更低，而顶部相对于地面的速度更高，以注入转移轨道或逃逸轨道。

对于任何类型的太空电梯，该结构在其设计寿命内都可以使用多次。因此，建造成本将除以使用次数。结构越大，性能越好，成本就越高。当将维护和运营成本添加到建造成本中时，对于给定的交通量，将存在一个最佳尺寸和成本。质量和成本随着尺寸和性能呈指数增长，而每使用一次的建造成本仅以使用次数的倒数下降。因此，在某一点上，由于多次使用带来的成本降低会被更大的结构不断增加的质量和成本所抵消，无论使用多少次。因此，经济是限制大型太空电梯的一个因素。

重力和应力 - 在塔需要抵抗重力在物体固体表面上产生的压缩力的地方，太空电梯需要抵抗其各个部分之间重力差异或其自身旋转产生的拉伸力。结构元件可以储存和传递动量和势能到车辆或货物，并支持远离结构质心或在旋转下的物体。轨道上的结构会自然地垂直排列（图 2.1-4，右），因为重力随着距离的平方而减小。因此，垂直缆索的下端相对于中心的势能比上端相对于中心的势能低。然后，垂直缆索的总能量小于水平缆索的总能量，因此它倾向于进入这种状态。重力的差异（也称为潮汐）提供拉伸力以保持结构伸展。

分阶段电梯可以建造到材料使用的实际限制的任何尺寸。在零长度的下限，太空电梯简化为轨道上的一个简单物体。对于中间长度和垂直方向，底部的速度是中心的轨道速度乘以底部/中心距离 r 从天体中心。这仅仅反映了中心和底部在相同轨道时间内行进的长度为 2πr 的轨道。如果您旋转整个缆索，使底部相对于中心沿轨道方向相反地移动（图 2.1-4，左），则底部的速度可以进一步降低。然后，顶点相对于中心的最高旋转速度受结构的质量和成本的制约，随着您使它更强大，这些因素呈指数增长。对于地球和目前的块状材料，用旋转抵消所有轨道速度是不切实际的，但可以抵消大约一半。在较小的天体上，整个速度可以通过旋转来抵消，因此底部相对于天体表面暂时静止。

底部相对于表面的剩余速度必须通过其他方式提供。当物体旋转时，例如地球，剩余的一部分可以通过这种方式提供。在我们星球的情况下，赤道旋转速度为 465 米/秒，或轨道速度的 5.88%。电梯或地球的自转不能提供的轨道速度的大约一半，比需要提供全部轨道速度是一个很大的改进。像化学火箭这样的运输系统的建造难度也与速度呈非线性关系。例如，如果它能够以 3.5% 的发射质量作为有效载荷完成整个工作，那么如果它只需要做一半，那么它可以将有效载荷增加到 27%，增加了 7.7 倍。通过使用火箭 + 电梯作为两级系统，较小的质量指数之和小于每个指数本身，因此使用两者完成整个工作的总成本和难度比使用其中任何一个完成整个工作都低。

火箭级不会完全进入轨道。它暂时停靠在缆索的顶端，只有货物使用电梯进一步移动。这比火箭级硬件必须一直行驶到轨道所需的总能量更少。电梯缆索充当动量库来储存轨道动能，可以将其传递给有效载荷。动能可以通过运行电动推进系统来储存，电动推进系统的效率远高于传统火箭。使用电梯级可以降低到达轨道的总体难度，并且如果设计得当，可以降低总体成本。材料强度与密度之比是设计这些类型的运输系统的关键标准。它们的质量与强度高度非线性，因为将强度提高一倍会使它们的质量比的指数部分减少一半。

结构动力学: - 影响太空电梯设计的力随时间变化，因此它们是动态力而不是静力。这包括到达和离开的车辆、沿结构内部的货物移动、扩展电缆（如果使用）的部署、轨道维护和旋转的推力、椭圆轨道或电梯旋转时的变化重力、来自太阳、月球或行星卫星的变化潮汐力以及在轨道运行时进出阴影的热应力。电梯设计可以像桁架一样，具有足够的抗压结构元件，以抵御这些变化的力。它们也可以像缆索一样，主要依靠拉伸元件，并且允许结构随着施加的力弯曲，或者可以是两者的混合。可以通过减震器/弹簧组合或沿结构的推进器来应用主动阻尼以抑制振动。动态力的设计类似于悬索桥的设计问题，悬索桥必须承受自身重量的静力和车辆交通和变化风力的动态力。在这两种情况下，设计都不得在结构的任何一点上超过安全工作应力，无论是在任何力的组合下。

由于典型的细长比（长度与最大宽度之比）很高，以及上述变化的力，结构动力学将很复杂，需要良好的理论理解，并且可能需要计算机模拟。另一个复杂之处在于，与在地面建造的摩天大楼不同，摩天大楼是在空旷的状态下建造的，然后在完工后才加载，并且通常不会在之后更改，而太空电梯可能在运行时随着时间推移而增长。这很可能是因为大型电梯可以通过减少发射系统的功来帮助自身建造，并且可以通过尽快投入运行来帮助抵消其成本。因此，不是分析完工的建筑物，然后检查施工载荷是否超过设计载荷，而是在不断变化的尺寸范围内对不断增长的电梯进行分析。

维护与维修 - 太空电梯与地球上的大型结构一样，会受到环境降解和偶尔的突然损坏。这些包括原子氧、静电放电、太阳紫外线和高能粒子、俘获辐射带、来自自然流星体和人造轨道碎片的撞击以及意外车辆碰撞或加压系统故障。为了实现长期运行寿命和安全运行，太空电梯必须针对所有这些原因进行设计，并制定维护和维修计划。在发生灾难性损坏的情况下，设计应最大限度地减少对人员和财产的风险。

现状

地球上的电梯最早可以追溯到公元前236年的阿基米德。现代安全电梯是由伊莱莎·奥蒂斯于1852年引入的，他公司的后裔至今仍然是垂直运输的最大制造商。绳索和缆索长期以来一直在地球上用于提升货物和稳定高耸的结构，如船桅和发射塔。太空电梯指的是完整的运输单元。太空系绳指的是太空中的缆索，它有很多可能的用途，其中之一是太空电梯的结构元件。一些太空系绳任务已经作为实验进行过，但还没有作为运营运输系统。迄今为止，太空中最大的刚性结构是国际空间站的集成桁架结构，其长度为108.5米。地球上更高的结构尚待经济原因进行建造，它们尚未达到可用材料的极限。太空电梯需要足够的流量到类似的轨道，以证明其建造的合理性。截至2016年，有相当一部分流量到达同步轨道，但不足以证明建造同步轨道电梯系统的合理性。

有人提出在地球轨道上建立一个可变重力研究设施，以研究部分重力对人和植物生长的影响。这样的部分重力水平存在于月球和火星上，目前尚不清楚在长期任务中需要多少重力水平才能保证健康和植物生长。这样的设施将包括大型空间结构，以产生人工重力，也可以作为系绳动力学和运行的测试平台。它将是朝着建造运营太空电梯系统所需的知识迈出的第一步。

变体

2a 轨道垂直电梯 - 这是最常见的太空电梯概念。在较小的版本中，缆索通过潮汐力保持垂直，在较大的版本中，通过足够长的缆索或平衡锤穿过地球静止轨道来施加到地球静止轨道以下部分的张力。质量随重力井深度的增加呈指数增长。因此，从地面向上建造的抗压塔与从上方连接的缆索相遇，会导致总质量更低，因为它将结构任务分解成两个更小的指数。尽管如此，目前的材料不足以在地球上建造完整的垂直电梯。它们适合月球或火星等更小的天体。

2b 动量传递弹弓 - 如果将有效载荷从垂直电梯的末端释放，则其轨道另一端的改变将是初始距离电梯质心 7 倍左右。这是因为在连接时，有效载荷被迫以不同于自由物体在该高度的运动速度移动。一旦释放，它就会遵循由其释放速度定义的自由轨道。这种变化通过添加部分旋转和缆索的动态延伸来增加轨道变化。

垂直缆索的一种变化是轨道弹弓。这将利用长物体由于“潮汐”效应而倾向于绕质心从水平方向自动旋转到垂直方向。一个相对轻便的车辆，以传统方式发射，将与一个更大质量的“轨道动量库”（主要由每次发射后留在库中的废弃火箭级组成）对接，并连接到一个缆索卷轴上。该车辆将被推到一个稍微更高的轨道上，在那里它会落后于动量库，同时以匹配的速度放出缆索。在放出足够的系绳后，它将被刹车到停止，使其处于张力状态。动量库将减速并向内落下，而车辆将加速并向外落下。它将在所需的方位和速度下被释放，以转移到更高的轨道。与“电梯”系统不同，系绳不必足够长以连续到达最终轨道，因为车辆将被“弹射”向外，距离缆索长度的 14 倍。

动量库在此机动中会失去速度，但可以使用高效的太阳能电力发动机（等离子体、离子或磁性）在较长的时间内恢复损失。可以使用多个动量库串联来实现更高的轨道或更大的最终速度。如果动量库使用椭圆轨道（对于火箭发射的车辆来说，更容易拦截），则可能通过在远地点弹射将物体插入近圆形轨道。车辆也可以在动量库中加注燃料，因为空火箭级已经具有可以重复使用的推进剂罐。弹弓方法具有中等尺寸和速度容量。

2c 轨道旋转天钩 - 这是大约 1980 年提出的一个想法，其中一根缆索通过足够高的旋转速度保持张力。在较小的天体上，缆索的末端可以足够低以抓住货物并将其提升到轨道，通常使用天钩这个名称。对于地球，由于需要很高的尖端速度和质量，达到那个高度很困难。相反，从地面上来的车辆会提供足够的速度以满足较慢旋转的尖端。这个版本通常被称为动量交换系绳或旋耕机（旋转电梯）。交换的动量是在车辆/货物和电梯系统之间进行的。同样，发射车辆和天钩的质量比都随速度呈指数变化，因此将任务分成两部分可以降低整体难度。

2d 大气电梯 - 在这种概念中，飞机或气球/飞艇使用缆索将物体提升到一定高度，然后通过其他方法继续进入轨道。对于飞机，这可以是一根简单的牵引缆索，其中一辆车辆拉动另一辆车辆，或者是一根动态抓取并加速车辆的缆索系统，可能将车辆抛到比飞机飞得更高的位置。它需要对牵引飞机进行较少的修改，并且不必处理组合空气动力学。对于飞艇型升降机，它避免了建造如此高的塔，尽管货物的重量相对有限。

参考资料

Pearson, J. 康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基与太空电梯的起源，IAF-97-IAA.2.1.09，第 48 届国际宇航大会，意大利都灵，1997 年。
Cosmo, M. and Lorenzini, E. 太空系绳手册，第三版，史密森天体物理天文台，1997 年 12 月。
Carroll, J. 系绳应用分析指南，为马丁·玛丽埃塔公司，1985 年 3 月。
多位作者，太空电梯，NASA 技术报告服务器的搜索结果，从 1916 年到 2016 年的约 4775 项。
Alpatov, A. et. al., 系绳空间系统动力学，CRC 出版社，2010 年 4 月。

旋转电梯 -

Carley and Moravec, 火箭/天钩组合，L5 新闻，1983 年 3 月
Ebisch, K. E., 天钩：另一个太空建筑项目，美国物理学杂志，第 50 卷第 5 期，第 467-69 页，1982 年。

Baracat, William A., 太空系绳应用：研讨会论文集第一卷和第二卷。（1985 年 10 月 15 日至 17 日在意大利威尼斯举行的研讨会的论文集）NASA 会议出版物 2422，1986 年。
安德森，J. L. “系绳技术 - 会议摘要”，美国航空航天学会论文 88-0533，1988。

3. 气球

其他名称：高空气球，飞艇，充气塔

类型：气动力的势能

描述：这种方法利用压力和密度差异产生的升力，而不是像机翼升力那样主要来自速度。减少发射车辆阻力和重力损失的一种方法是使用高空气球或飞艇将其吊到高空。研究气球已经将吨级有效载荷送到了 15-30 公里高空，这已经超出了大气层的绝大部分。另一种提出的方法是使用高压支撑结构。强度最高的材料在拉伸时强度最高，因此理论上充气结构可以支撑自身。大型加压结构的风载荷是主要的设计问题。如果使用比周围大气密度低的氣體，结构将部分浮起，不需要像依赖于抗压强度的结构那样进行相同的缩放。足够大的结构，其表面积与体积之比会很小，只需加热内部空气即可浮起。

状态：气球、飞艇和压力支撑结构已经使用了几十年，并且已经进行了一些从气球发射火箭的实验。但它们尚未进入轨道。

变体

3a 气球载体 - 一种产生升力并携带仪器包或发射载具的设备，但没有自身推进系统。它们在地球上被广泛用于科学，并被提议用于其他星球。
3b 飞艇 - 一种结合浮力升力和气动升力以及前向推进力的组合的设备。
3c 轨道飞艇 - 这个概念是由JP Aerospace提出的。它涉及一个非常轻的飞艇，它从一个漂浮平台开始，并通过太阳能电力推进器加速到轨道速度。目前尚不清楚这是否在技术上可行。
3d 测地线球体 - 一个三角形的框架支撑着压力皮肤，如果足够大，它只需要内外温差就可以浮起来。由于结构质量与面积成正比，而升力与体积成正比，因此如果建造得足够大，它就会浮起来。
3e 压力支撑塔 - 利用内部较高压力的升力来提升结构。这可以推广到对任何结构元件加压以帮助支撑它。

参考资料

4. 低密度隧道

其他名称

类型：气动力的动能

描述：往返于具有大气的星体，例如地球，会导致巨大的阻力和加热损失。气动阻力在其公式中包含气体密度因子。这个概念通过使用低密度气体或真空来减少或避免这些损失。通过使用原子量较低的气体，例如氢气，或通过抽取部分或全部气体来获得较低的密度。这不是一种运输方式本身，而是一种避免损失的方法。

状态：低压管道是一种常见的装置。它尚未用于太空运输。

变体

4a 轻气体隧道 - 一条或多条轻气体气球或管道沿车辆或弹丸的路径排列。该气体的密度低于空气。阻力公式为 0.5*C(d)*Rho*A*v^2，其中 Rho 是密度。因此，较低的密度将降低阻力。高速穿过任何气体都会产生冲击波，因此弹丸的大小相对于隧道的尺寸需要足够小，以防止冲击波损坏结构。

4b 真空隧道 - 真空隧道通过塔架或自身从空气中排出的升力来支撑穿过大气层。发射系统，例如电磁加速器，将弹丸发射到隧道中。阻力损失在隧道内最小化，并且在隧道之外的大气层剩余部分中也很低。顶端需要某种方法来防止空气流入并充满隧道 - 例如，在加速器即将发射之前保持关闭的舱口。

参考资料

5. 磁力支撑结构

其他名称：Startram

类型：磁场的磁存储

描述：静态或时变磁场产生力来支撑结构。例如，一系列大型超导线圈堆叠起来，使它们相互排斥并支撑货物。或者，载流导线在地面和结构之间产生排斥力。

状态：Startram 是一个使用磁悬浮提出的概念，但尚未达到实验版本。

变体

参考资料

B. 动态结构

静态结构依赖于恒定力，例如材料的强度来支撑自身。动态结构依赖于快速移动部件产生的力来支撑结构。这种方法的优点是它可以支撑超出材料强度极限的结构。缺点是，如果控制运动部件的机械失效，结构就会崩溃。

6. 喷泉/质量驱动器

其他名称

类型

描述：电磁加速器提供垂直向上移动的质量流。一系列线圈在质量向上移动时减速，然后将它们再次加速向下，达到当地重力的几倍。当它们到达底部时，加速器会减速并再次将它们抛回，达到当地重力的数倍。因此，加速器比喷泉高度短得多。线圈对喷泉质量加速的反应提供了一个可以支撑结构的升力。升力沿着线圈所在的位置分布。这可以在塔架的长度上，或者集中在顶部，质量流在大部分时间内自由飞行。

现状

变体

参考资料

7. 超轨道质量流

其他名称：发射环

类型

描述：一条或几段带子以超轨道速度保持运动。它们通过磁力约束以支撑结构，同时防止其离开轨道。车辆沿着带子行驶，利用磁力制动带子的运动来加速。已经提出了几种使用超轨道速度结构的概念。一个被称为“发射环”。在这个概念中，一段金属带子在地球低轨道加速到超过轨道速度。带子通过悬挂在由带子支撑的磁悬浮硬件上的系列缆索来防止上升到更高的远地点。带子被引导到地面上的真空管中，并使用地面的磁铁将其转动 180 度。前往轨道的车辆乘坐电梯到一个空间站，缆索在高空水平移动。车辆利用带子上的磁力阻力加速，然后在达到轨道速度时释放。

现状

变体

7a. 伯奇环 - 由两部分组成。一个是包含一个或多个低空“地球同步”卫星以及附在其上的太空电梯的星座，其与地面的距离将是正常轨道中的 LEO。这个卫星星座（也可以称为地球静止卫星，因为它们相对于地面是静止的）尽管速度低但不会坠落，这是因为有一个质量流，其重量更大，移动速度略高于轨道速度。质量流通过从静止卫星星座偏转到更短的弧线来保持较低的轨道高度。在低质量流的情况下，超轨道路径接近直线，需要更多数量的静止卫星来将其绕地球偏转而不会穿过大气层（以多边形模式）。在高质量流的情况下，它仅比轨道速度略高，但其质量远大于静止卫星。

其他名称：轨道环系统（ORS），雅各布天梯，太空吊桥

8. 多级太空电梯

其他名称

类型

描述： 多级太空电梯拥有多个结构元素，各部分相对运动。例如，地球轨道上的垂直悬挂缆索可以在其末端具有旋转缆索。这种布置的优势在于，与单根缆索相比，它降低了缆索与有效载荷的质量比。旋转缆索的质量比近似于 exp(尖端速度平方)。如果两根缆索分别提供一半的尖端速度，则该比率变为 exp(2(尖端速度/2)平方)，即总质量比更小。多级电梯的另一个特点是两个阶段的尖端速度矢量相加。由于一个相对于另一个旋转，因此两个矢量的和会随时间变化。在合适的尖端速度和角速度选择下，可以以任意速度和方向接收和发送有效载荷，最高可达两个矢量的总和。多级电梯的动力学非常复杂。

现状

变体

8a 悬挂/旋转电梯 - 这包括一个垂直/非旋转的太空电梯结构，在一个或两个端点有一个旋转的第二级。这更适合在重力井内使用，因为重力梯度将稳定第一级。
8b 旋转/旋转电梯 - 这包括两个阶段，都处于旋转状态，以获得给定速度的更低质量比。这更适合于自由空间应用，在自由空间应用中，结构上缺乏变化的重力将简化动力学。

参考资料

参考资料