第264章 太空电梯（2/2）
能在向下摆动时为有效载荷提供额外动量
它将使用与天钩相同的动量补充方法
但由于传递的动量更多
需要补充的动量也更多
不过它受到的大气损耗补偿更少
能更轻松地下降到更低高度
另一方面，因为它像流星锤一样旋转
系绳会承受离心力带来的额外应力
这种应力在旋转底端达到最大
重力与旋转的合力在此产生最大应力
尤其是在夹住飞行器将其送入太空时
旋转天钩的长度与转速
可根据材料强度与重力进行调整
但通常需要比同等天钩更短
其质心位于系绳中点
即旋转支点
这意味着它的轨道周期比天钩更短
因为天钩的质心更靠近顶端
此外，旋转天钩的受力段
是从中点到末端
而非像天钩那样是整个长度
旋转天钩也不需要在中点设置大型空间站
因为它不像天钩顶端的空间站那样是目的地
相反，旋转天钩的作用是
钩住飞行器并将其旋转甩入太空
中点仅用于增加质量
放置不会给系绳带来过大应力的设备
以增加总动量
让钩住飞行器时不会产生太大扰动
这里的设备大概率主要是太阳能板与离子推进器
因为没有必要配备大量辐射屏蔽或燃料库
再次强调，这不是停靠港
旋转天钩越长、转速越快
性能越好
但这也会显著增加系绳的应力
离心力随长度增加而增大
但系绳的一个关键优势是可以设计成锥形
中间更粗、末端更细
以减少应力
锥形设计能将强度集中在最需要的地方
让系绳超过材料常规断裂长度
例如，中间段支撑更多重量
下方分段承受的重量逐渐减小
想象一根绕地球运行的旋转天钩
长度2000公里
中点位于海平面以上1500公里处
这意味着其底端在最低点摆动时
仅距地面50公里
整个旋转天钩每106分钟绕轨一圈
轨道速度为16400英里
小时
7.33公里
秒
由于地球在下方自转
旋转天钩每114分钟经过地面同一地点
为简化计算，假设沿赤道做圆轨道
为与发射操作同步
我们希望旋转天钩的转速是轨道周期的倍数
至少是一半
因为它有两个末端
可以服务多个发射场
例如，它可以每11.4分钟完成一圈旋转
每圈轨道可下降10次
或者转速更慢
比如每114分钟一圈
以匹配经过头顶的时间
大多数情况下，如果发射频率不高
较慢的转速就足够
例如，每1145分钟（9小时18分钟）旋转一圈
可能比较合理
但每25圈轨道旋转一次
即隔天一次
可能太慢而不实用
对这类任务而言
更短、转速更快的旋转天钩效果更好
对于旋转天钩
我们讨论的旋转周期快于轨道周期
除了辅助航天器之外
旋转天钩还有其他可能的应用
可能适合更慢的转速
举例来说，14分钟旋转一圈的旋转天钩
末端速度为915米
秒
2500英里
小时
末端加速度仅为0.085G
意味着系绳与任何附着的有效载荷
所承受的重量仅比正常情况高8.5%
这对系绳与有效载荷来说
都是应力较低的系统
但效果不算特别显著
整个旋转天钩因轨道运动
以7.3公里
秒（16400英里
小时）的速度移动
而地球赤道自转速度为465米
秒（1400英里
小时）
当这些速度与末端速度叠加
对接所需的相对速度降至略低于6公里
秒
而常规入轨需要约8公里
秒
如果将转速提高四倍
每29分钟完成一圈旋转
末端速度跃升至3660米
秒（8200英里
小时）
这将对接速度降至3200米
秒
与5000公里长的天钩效果相当
然而，末端加速度增加到1.37G
意味着旋转底端的末端
承受的重力与重量是正常情况的2.37倍
重要的是，这个系统仅需1000公里长的系绳
而非5000公里
成为更紧凑、潜在更可行的替代方案
如果将转速提高到每圈轨道旋转7次
末端速度升至6400米
秒（14300英里
小时）
对接速度降至约930米
秒
或赤道处465米
秒
约1000英里
小时
然而，系绳将承受4.2G的离心力
进一步提高到8圈旋转
加速度增至5.5G
外加地球重力
末端速度提升至7.32公里
秒（16374英里
小时）
在这个速度下
末端相对于地球表面
除极点外会向后移动
速度太快，至少在地球上不实用
我们可以想象
在比地球稍大的人类殖民星球
或某个外星文明所在的星球上
这会非常实用
7圈旋转的版本
用适合5000公里天钩的材料即可实现
它能让普通高超音速飞行器
在50公里（30英里）高度与之对接
这对吸气式喷气发动机来说更容易实现
然而，这种设置存在挑战
因为系绳每隔约16分钟
就会高速冲入相对稠密的大气层约一分钟
更低的速度有帮助
但狭窄的对接窗口进一步增加了复杂性
我们也无法像天钩那样
实际将系绳升降
以缩短穿越大气层的时间
因为这会增加更多应力
旋转天钩的另一个关键优势
是它能提供极高的发射速度
当航天器在250公里高空的顶端对接时
飞行速度将达到13.7公里
秒
而该高度的轨道速度仅为6.88公里
秒
这让它能摆脱地球引力场
前往月球或更远的地方
然而，频繁冲入大气层会大量损耗动量
让系统在更高高度或无大气天体上效率更高
但这也限制了与更高效的吸气式喷气发动机协同使用的机会
例如，在月球或水星上
旋转天钩可以直接降至表面
从固定平台抓取货物舱
并在无大气干扰的情况下发射
在火星上也能很好地工作
因为火星大气层更稀薄，阻力更小
另一种方法是采用偏心轨道
旋转天钩每圈椭圆轨道仅两次冲入大气层
轨道其余部分远高于大气层
你还可以结合多种技术
例如，伸入大气层的天钩
可以与上方的旋转天钩配对
为驶离的航天器提供高发射速度
或者旋转天钩负责低大气层对接
再由天钩或另一台旋转天钩
增加更多速度
在之前的天钩讲解中
我们讨论过传统旋转路径
比如心脏线旋转天钩
以及串联系统
比如天钩下方悬挂旋转天钩
甚至旋转天钩末端再连接一台旋转天钩
这些串联旋转天钩的设计目的
是降低系绳的离心力应力
采用转速更慢的主系绳
末端搭配更短、转速更快的次级系绳
虽然这些配置理论上能减轻应力
但将两根旋转系绳结合
带来了巨大的实际工程挑战
短期内不太可能实现
我认为旋转天钩在无大气天体上
比天钩更有优势
因为没有空气阻力
而且大多数这类天体的重力更低
让系绳能承受更大应力
然而在金星上
栖息地必须漂浮在云层中
重力略弱于地球
天钩似乎是更好的选择
尤其与漂浮在大气中的质量投射器配合使用时
总的来说，这两种系统都能与质量投射器很好地配合
它们还能解决小型卫星
或自转缓慢行星的太空电梯难题
因为它们不需要与地面保持相对静止
所以在那些系绳可能需要长达一百万英里才能工作的地方
或没有稳定地球同步轨道
或时钟轨道的卫星周围
都不会有问题
除地球之外
天钩与旋转天钩都能提供可观的运输能力
但受限于动量补充速度
以及愿意部署的数量
不过你可以从地外获取推进剂
比如在月球上制造火箭燃料
用它让天钩更快补充动量
尽管效率会降低
它们在管理轨道碎片方面也存在挑战
因为它们会扫过大片太空区域
一旦受损或偏离轨道
可能从天钩变成“太空鞭”
甚至成为武器
这个话题我们改天再聊
接下来我们讲 太空梯
在结束今天的系绳系统讨论前
我们简要介绍一下
除太空电梯外
太空梯的工作方式与另外两种截然不同
但拥有一些巨大优势
具体来说，太空梯完全不需要运载火箭
可以在地球上几乎任何地点运行
太空梯依靠 主动支撑
原始的雅各布天梯概念
由保罗·伯奇在20世纪80年代初
关于轨道环的论文中提出
有趣的是，伯奇将系绳末端的挂钩称为天钩
正如我们之前提到的
这个术语的定义一直比较宽泛
熟悉轨道环的人都了解其设计
但今天我们不深入探讨
轨道环的基本理念是
在太空中建造一个巨大的金属环
包裹在空心管内
并让两个组件以不同速度旋转
系统通过磁悬浮保持稳定
只要内环与外环的合动量
满足特定高度的轨道要求
结构就能保持原位
无论组件相对速度如何
更大版本的轨道环
可以支撑不可思议的壮举
包括建造整个行星
但今天我们专注于更简单的设计
一个纤细的轨道环
每天旋转一圈
使其相对于地球保持静止
环内的组件旋转速度
远高于该高度的轨道速度
因此整个结构能保持在空中
并大致与地面相对静止
在赤道地区，这种设计能完美运行
这就是天钩发挥作用的地方
保罗·伯奇在碳纳米管或石墨烯出现之前
就提出了他的想法
即使凯夫拉在当时也是相对较新的材料
要让轨道环真正保持静止
要么直接位于赤道正上方
要么倾斜一定角度并固定在地面
后者需要额外的工程设计与更坚固的缆绳
考虑到我们已经在讨论超过100英里长的缆绳
伯奇可能认为
只需倾斜轨道环
让岁差缓慢环绕整个行星即可
这种方法的额外好处是
一个环就能服务全球大范围区域
一个环服务所有区域
天钩可以从轨道环上垂下
以常规飞机速度移动
将空气阻力降至最低
这些挂钩可以悬得足够低
让飞机与之对接
实现高效绞升货物或乘客到轨道环
返程可能频率更低
并经过精心协调
以回收货物或乘客
可以在轨道环周围分布多个天钩
确保大范围区域的持续通行
关于动量补充
轨道环会在行星阴影中度过大量时间
默认情况下
它们的位置足够低
在大气层内
能获得一定的防辐射与微流星体保护
可以在轨道环上安装太阳能板
通过加快内环旋转速度补充动量
我们还可以从内环获取动量
用于发射航天器
但这个话题我们留到下次
你还可以将轨道环
与更常规的天钩或旋转天钩配合使用
进一步提升物体高度
甚至在更外侧安装另一个轨道环
或者在轨道环上安装质量投射器
实现更多功能
然而，基于我们在其他场景中讨论的系绳强度
你可以采用另一种方法
不使用天钩
而是将系绳向下延伸至地面
通常像拉索一样倾斜
将轨道环牢牢固定
防止岁差
还可以在这些系绳上铺设电力与通信线路
这种方法的基础设施更密集
但优势无可比拟
它允许攀爬缆绳
从轨道环周围的宽带区域倾斜延伸
宽度可能达数百英里
这些攀爬装置可以将乘客与货物
从城市内部直接运送到轨道环
产生的噪音不比火车大
甚至更小
所需加速度也与火车相当
完全不需要机载燃料
只需空气储备箱
以及以防系绳断裂的降落伞
这种设置是每日运送大量人员
与海量货物往返太空的终极解决方案
你可以在略有不同的高度与角度
建造数百个大型环
用短系绳相互连接
这些环可以服务地球上任何地点
提供从城市中心直达太空的低能耗通道
从那里，超高速真空列车
可以将轨道环与其他
连接地球任何地面的系绳相连
实现比飞机更快、成本更低的全球旅行
然而，这是一种重型基础设施解决方案
很可能要等到数万人定期往返太空时
才会实施
除了单纯建造太空塔之外
还有其他创建太空梯的方法
例如，你可以使用专门设计的洛夫斯特伦环
悬挂系绳
让旋转天钩或航天器
在进入大气层上方后使用
轨道环与洛夫斯特伦环也不一定是圆形的
你可以设计一个
一端接触地面
另一端远地点到达地球同步轨道高度的环
这些结构也可以分层建造
一个环位于100英里高空
另一个在200英里
然后是300英里，依此类推
随着远离地球
数千英里的更大间距变得更可行
在这座太空梯上形成一系列台阶
供人们攀爬进入轨道
这些设计的成本都不算特别高
成本主要取决于系绳材料
如果使用碳基材料
成本可能相对较低
主要开销在于将第一根系绳发射入轨的成本
总而言之
天钩、旋转天钩与太空梯等系绳系统
代表着人类进入太空方式的革命性飞跃
这些概念从简单系绳到先进轨道环
提供了可规模化、可持续、低成本的方法
将人员与货物送入轨道及更远空间
既可独立使用
也可与成熟技术协同
借助先进材料、创新设计与物理原理
我们减少对传统火箭的依赖
让火箭在必要时更便宜、更易建造
并向数百万人开放太空
尽管这些技术需要大量前期投资与基础设施建设
但其长期潜力无可比拟
有望让太空旅行
像今天的航空旅行一样便捷
成为迈向真正太空文明的垫脚石