第 2 部分：太空运输方法
在第 1 部分中，我们讨论了相关科学的基础知识，包括推进力（第 1.3 节）和能源（第 1.4 节）。这两项可以组合成一种或多种太空运输方法。在第 2 部分中，我们将讨论各种运输方法，包括目前正在使用的、处于不同开发阶段的、以及提议或理论性的方法。在考察个别方法之前，我们将简要看一下为什么过去到达太空如此困难且昂贵，以及总体上可以采取哪些措施来改变这种情况。我们还提供了一些参考表格，列出了各种方法。
理想的运输系统具有无限的使用寿命，并在运送所需货物时具有最小的运营成本。实际系统永远无法达到这个目标，设计者的工作是在技术水平和其他项目限制（如资金和时间表）的约束下尽可能地接近它。对于航空和太空运输，所需的货物被称为 有效载荷。出于运输目的，它以绝对质量 (kg) 或 质量分数 来衡量，即有效载荷质量占总车辆质量（包括有效载荷）的百分比。
20 世纪中后期火箭设计师的艰巨任务是在进入地球轨道时，在高成本和小有效载荷之间找到最佳平衡。这种折衷是由于三个因素的共同作用，导致有效载荷分数很小，因此相对成本很高。
- 地球的质量和大小，它决定了达到轨道所需的速度，
- 化学火箭推进剂中所含的能量，它决定了你需要多少推进剂，以及
- 用于建造火箭的材料的强度和其他特性，它决定了车辆硬件的质量。
这三个因素的组合导致了一架理想的一体式、长寿命火箭的有效载荷很小，甚至为负。这种火箭的总发射质量由三个主要部分组成：推进剂、车辆和有效载荷。有效载荷质量是在考虑前两项后剩余的部分，在 20 世纪的设计中，这部分剩余可能为负，或者最多只有百分之几。例如，一个单级 LO2/LH2 车辆，其任务速度为 9000 米/秒，排气速度为 4500 米/秒，其燃料可能占 86.5%，车辆硬件占 10-15%（取决于使用寿命），因此有效载荷占 -1.5% 到 +3.5%。较低的硬件重量与更轻巧的一次性结构相关联，而较高的重量与更厚实的多用途结构相关联。LO2/LH2 是能量最高的燃料组合。火箭与有效载荷重量的大比例导致了以美元/公斤计的高发射成本。
从一个你可以像飞机一样加油和重新发射的理想车辆概念中必须做出各种妥协。一种做法是让硬件只飞一次，从而允许使用比那些设计为飞多次的硬件更轻的结构。另一种做法是在飞行过程中丢弃车辆的部分，产生一个 多级火箭。随着燃料的消耗，保持加速所需的推力会减少，因此需要更少或更小的发动机。油箱也会清空，因此你可以在不再需要它们后丢弃多余的发动机和油箱。车辆的其余部分重新开始加速朝轨道前进，但受益于之前阶段获得的速度，并且车辆重量更轻。低使用寿命和分级都是昂贵的 - 你必须更换或重新组装硬件，但考虑到当时的科技水平，这是必要的。设计者必须在由于有效载荷过小而导致的高成本或由于丢弃或重建完整火箭而导致的高成本之间找到最佳平衡。一次性、多级火箭仍然是到达地球轨道最常用的方法，因此迄今为止的太空运输非常昂贵。
地球的质量和大小以及化学推进剂中的能量是固定的，结构材料的改进速度相当缓慢。使用最新的材料、优化的燃料选择以及车辆部件的回收和再利用可以显著降低成本。但最终，化学火箭设计的限制因素是轨道速度和燃料能量，它们是固定值。因此，为了在成本方面做出更戏剧性的改变，我们必须打破 20 世纪的一个或多个限制因素。例如
- 你可以建造跨越地球引力井一部分的大型结构。这会降低车辆需要提供的速度。即使是微小的降低也会使接近零的有效载荷分数变为正数。过去的系统隐含地假定化学火箭完成到达轨道的全部工作，因为它是当时唯一被认为对这项工作有用的推进类型。没有物理定律规定必须使用一种类型的推进方式来完成整个工作，而使用多种方法通常可以获得更好的总体性能。
- 现在，除了传统的化学火箭之外，还有许多替代方案，从实际应用到仅仅是理论性的方案。本书第 2 部分试图列出所有已知的方法，到目前为止共有 83 种，不包括变体。其中许多方法具有更好的性能，减少了所需的燃料，并增加了净有效载荷。
- 自 20 世纪中叶以来，出现了更好的结构材料和更轻的部件，但目前的一些火箭仍然没有利用它们。
尽管有更多选择会更加复杂，但现代设计师应该考虑所有可用的运输方法，并将它们应用在它们最有效的地方。从短寿命、低有效载荷运输到长寿命、高有效载荷设计，潜在的收益足以证明额外的工作是合理的。
从轨道力学角度来看，近地轨道（LEO）是低于 2000 公里高度范围，约为地球半径的 1/3。在这个区域，地球的重力超过地表值的 58%，轨道周期比海平面理论轨道的 84 分钟高出不到 50%。从实际角度来看，LEO 是 200 到 1000 公里高度范围。这高于显著的大气阻力，低于范艾伦辐射带。历史上的太空运输问题是如何从地面进入这个轨道范围。超越 LEO 的旅行不像最初发射那样局限于化学火箭。这是因为对于垂直火箭发射，你需要能够以超过一个重力 (9.8 米/秒2) 的加速度加速整个车辆，以便能够起飞，并保持相对较高的推力以防止在低于轨道速度的情况下再次撞击地面。化学火箭的关键特征之一是它们非常高的推力重量比。这使得它们尽管绝对效率低，但仍然很有吸引力。
一旦进入稳定的轨道，就可以使用更低的推力水平进行更远距离的旅行，因为你不会有立即再入的危险。因此，人们一直在研究化学火箭的替代方案，用于这些任务，其中一些方案在最近几十年甚至已经投入使用。现在有更多可用于超越 LEO 的替代方案，这些方案提供了更好的性能或更广泛的设计选择。然而，更大的变化在于到达 LEO 的第一步，直到最近，这第一步还局限于一种相对低效的方法。
作为设计师的起点，图 2.0-1 列出了本书作者所知的 83 种主要太空运输方法。它们在以下部分中进行了更详细的描述，并按类型划分成逻辑类别。这里和本书后面列出的顺序是按照类型的相似性，而不是按照可行性或开发状态。这些因素将在后面考虑。许多方法在概念或应用方面也存在差异。从这份清单中，设计师可以将选择范围缩小到特定项目的相关选项，最终确定最终选择。从所有选项开始，可以确保不会遗漏任何可行的方案。
图 2.0-2 将相同的运输方法按编号列在一个表格中，因为如果包含名称，表格将过于庞大。表格中的行表示不同的能源，按主要类型分组。列表示如何施加力来产生运动。它们分为两个主要类别：（1）排出物质，根据牛顿定律产生相反的反应力，以及（2）车辆与外部物质或力相互作用。该表格有助于组织和思考这些方法。一些理论方法未在此表中显示，因为我们没有确定的设计来实现它们。如果考虑所有可能的变体，一些方法可能会跨越多个方框，但我们在本版本中将其分配到单个方框。空方框可以激发对未知的可能的运输方法的思考，或者这种特定的组合是否真的缺乏可能的用途。
这两张图代表了 2012 年中期的知识状态。作者可能还不知道一些额外的运输方法，未来可能会设计出新的方法。如果考虑一个严肃的项目，设计师应该调查相关专家和文献，以包括最新的概念。
