第 4.9 節：第 5A 階段 - 月球開發（第 2 頁）
這些專案包括完全在月球表面或附近執行的運輸系統，以及那些基於月球表面但運送到軌道或更遠目的地的系統。
- 地面車輛
這從用於科學和勘探目的的漫遊車開始，這些漫遊車由地球上的遠端控制。它們發展為採礦和建築車輛，這些車輛仍然是遠端控制的或智慧到足以自操作。一旦人們開始定期地駐紮在月球表面，我們將新增無壓和有壓的機組人員運輸，並最終新增用於長時間停留的移動居住地。儘管月球表面有充足的太陽能，但對於大型車輛來說，它很笨重。因此，長距離移動運輸很可能包括一個充電站網路，車輛上裝有足夠的太陽能電池板作為備用電源。阿波羅月球車在沒有道路的情況下總共行駛了 90 公里，但對於更長的距離，可能需要建造道路來克服障礙，或者採用與車輪不同的方法。可能性包括腿式系統或索道來克服崎嶇的地形。月球塵埃管理可能需要防止機械部件磨損和積聚，並防止塵埃進入機組人員區域。長距離點對點旅行可以透過彈道運輸更有效地完成。這將需要充足的推進劑供應。任何超出現有行星漫遊車經驗的東西都將需要先進的研發。
- 月球彈射器
這些系統旨在將散裝材料加速到軌道速度。它們不適合人員或敏感貨物，因此可以使用高加速度。這使得它們可以非常緊湊。透過傳送許多較小的有效載荷，每個有效載荷所需的能量更小。有效載荷被收集到更大的載荷中，用於貨運拖船。有效載荷可能包括未經加工的岩石或成品材料，例如金屬或推進劑。兩種基本的設計方法，離心式和線性式，都使用電力。每種方法都最適合不同的貨物體積。兩者都能夠將其自身質量的數倍送入軌道，並大大減少推進劑需求。上面討論過的太空鉤也可以減少從月球提升貨物的推進劑需求。它具有較低的重力加速度，因此也可以用於人員和敏感物品。但是，一個完整的 1-g 月球太空鉤長 500 公里。這比彈射器要大得多，彈射器大約 100-200 米長。如何排序或組合這些替代方案需要更多分析。
離心式方法
基本思想是使用電動機驅動一個帶有長短臂的轉子，這些臂是平衡的。例如，請參閱 慣性 II，但安裝在月球上以水平方式安裝，以最大程度地減少支撐結構。太陽能電池板在白天發電，以逐漸加速轉子，直到長臂的末端以略高於月球軌道速度的速度移動。有效載荷以略高於水平的角度釋放，並沿海岸線移動到月球低軌道上的收集點。同時，從短臂上釋放一個平衡塊，它落在離心機後面的某個地方。平衡塊的原因是，不平衡的轉子會在離心機結構上產生很大的力，可能損壞它。有效載荷是未加工的表面材料（風化層）的燒結塊，還是先分離成例如金屬，還有待確定。由於沒有大氣產生阻力，因此可以緩慢地旋轉轉子，從而保持輸入功率較低。轉子尺寸也可以很小，因此這種方法適用於較小的交付量，並且在早期使用時裝置較少，可以開始使用。
交付軌道 - 從表面投射到軌道上的任何物體將在一個軌道週期後與發射點相交。透過稍微傾斜轉子，彈射器後面的軌道部分將低於表面。這確保了在交付失敗的情況下，撞擊月球將是安全的，因為路徑首先會進入地下。軌道的最高點將距離表面約 100 公里，足以清除月球地形並一段時間內保持穩定，不會發生軌道變化。正常交付使用有效載荷上的推進裝置，或使用軌道裝置捕獲有效載荷並將軌道提升。軌道上的一臺裝置可能比每個有效載荷上的許多裝置更便宜，但這還有待確定。該裝置的一種方法是使用一個小太空鉤，有效載荷捕獲器從主核向下懸掛數公里。偏移量允許彈射器以略低於軌道速度投射，以與捕獲器匹配軌跡。然後，錯過的捕獲將降落在月球上的其他地方，而不是返回發射地點並造成損壞。將累積的有效載荷轉移到太空鉤的上端會提高它們的軌道，然後軌道拖船可以將它們接走。
捕獲器可以是袋子或網，用電纜定位以滿足傳入的有效載荷，或者足夠大以考慮有效載荷的分散。定位需要一種方法來檢視傳入的有效載荷，例如雷達或雷射雷達。捕獲器和有效載荷之間的速度差一開始很小，因為它代表了近軌道和軌道之間的差異。透過適當的設計，這種差異可以降低。有效載荷可能比捕獲器移動得慢，因此它朝前移動並將其舀起，從而增加其速度。捕獲和升高高度會降低軌道平臺的速度，因此它需要推進以保持軌道。這可以使用電力推進，其效率是使用化學推進從月球發射的十倍。到達軌道的絕大部分工作是由彈射器提供的，因此電力推進可以相對較小。
機載方法使用有效載荷上的小型固體或冷氣發動機。設計可以借鑑 火箭輔助彈丸，這些彈丸是為火炮開發的，它們經歷了類似的高加速度。各種 推進劑組合 可以從月球材料中獲得。這避免了需要從其他地方供應它們。有效載荷本身必須承受高加速度。因此，它也可以用作發動機和油箱的結構。需要一個控制系統，使發動機指向正確方向並在正確的時間點火。推進和控制系統增加了有效載荷的複雜性和成本，如果兩者都沒有正常執行，將導致有效載荷以不可預測的方向移動。由於這些原因，它可能不是最佳方法。
貨運拖船要求 - 如果有效載荷有自己的推進系統，它們將最終進入類似的軌道，但會稍微分散。一輛收集車將追趕它們並將它們收集到更大的貨運中。如果軌道平臺捕獲了有效載荷，它們將已經被收集到一個地方。無論哪種情況，電力拖船都將大型貨物拖曳到高軌道，例如地球-月球 L2，這是月球遠端的一個穩定點。這個位置始終處於陽光照射下，因此您可以獲得更多能量將原材料轉化為有用的產品。
電力推進效率高，但速度慢。因此，拖船的容量需要與從地面發射的材料數量相匹配，因為在進行一次往返過程中，材料數量是相同的。從月球低軌道到 EML-2 的 ΔV，使用低推力推進，約為 920 米/秒。一臺使用 400 千瓦等離子推進器產生 11.4 牛頓推力和 50 公里/秒排氣速度的電力拖船，交付 200 噸貨物，將消耗 1.86% 的初始質量來交付有效載荷。太陽能電池陣列和推進裝置的質量約為 4 噸。因此，推進劑使用量為 3788 公斤。流量為 19.7 公斤/天，因此燃燒持續 192 天。返程快得多，因為拖船會輕 50 倍。因此，往返總時間約為 200 天。如果彈射器每天向軌道發射 1 噸貨物，則流量匹配。
小型離心機設計 - 表面的理論軌道速度為 1680 米/秒。但是，月球不是完美的球體，並且具有質量集中，因此需要約 1750 米/秒的發射速度來清除障礙物。選擇一個高的發射點有助於避免撞擊任何東西，並且允許稍微傾斜彈射器。這既提供了一個安全軌跡，以防捕獲失敗，也為平衡塊撞擊提供了安全的下風距離。假設長臂半徑為 50 米，尖端速度為 1750 米/秒，則沿著臂的總應力為 156 克-公里。高強度碳纖維的極限強度高達 386 克-公里，因此我們處於可用材料效能範圍內。離心力在輪轂處高於尖端。這是因為尖端只支撐有效載荷，而輪轂支撐有效載荷+臂質量。因此，臂將在輪轂處更厚以承受更大的力。我們不是在極限強度下設計，而是以低於極限強度的安全係數工作。旋轉航空航天機械的典型值為 2.4。這將我們的工作強度降低到 386 克-公里/2.4 = 161 克-公里。那麼理論臂面積錐度為 e156/161 = 2.635。在實踐中，它將略高，因為非結構性開銷。面積錐度為 3-4:1 是一個合理的設計解決方案。旋轉周長為 2π x 50 米 = 314 米。然後，1750 米/秒的尖端速度意味著每秒 5.57 次旋轉，即 334 轉/分鐘。這遠在電動機驅動的機械臂的能力範圍內。
短臂的末端移動速度較慢，因此應力較低。平衡轉子和錨定結構上的力，配重需要比有效載荷重。結果是短臂的質量將與長臂相同，但更短更厚。由於配重釋放速度遠低於軌道速度，它將在離心機後方一定距離處撞擊地面。它可能會在撞擊時自行解體，但地表上並不缺少鬆散的岩石來代替它。
我們假設每天向軌道輸送 1 噸散裝材料。由於月球低軌道大約需要 108 分鐘，我們可以每天發射 13.3 次，以使有效載荷到達一個共同的收集點。因此，每個有效載荷將是 75 公斤。然後有效載荷的動能為 115 兆焦，彈射器在 50% 的效率下需要 35 千瓦的平均功率。另外的 50% 用於加速配重，並且浪費了。35 千瓦是空間站四個主要太陽能電池板機翼輸出功率的一半，大約是大型通訊衛星的兩倍。因此，所需的功率在現有的太空電力水平範圍內。特斯拉 Model S 基礎版使用 270 千瓦的電動機，因此 35 千瓦的電動機可以非常小巧輕便。由於您一半時間處於月球夜晚，因此您需要兩個彈射器來產生所需的發射速度。除非離心機停止，否則很難裝載有效載荷。因此，一個彈射器臂在發射後立即的飛輪能量可以轉移到另一個彈射器，而不是僅僅透過制動來消散能量。再生制動（稱為）在電動汽車中也很常見。這使得系統更高效。有可能提供足夠的能量儲存以持續月球夜晚，或使用不依賴陽光的另一種電源。在這種情況下，只需要一個彈射器，但我們將把這種選擇留給更詳細的設計。
系統質量 - 現代太空太陽能電池板加上安裝和跟蹤月球表面將產生約 100 瓦/千克。兩個彈射器的 70 千瓦將需要 700 千克的電池板。彈射器臂的質量是有效載荷的 6-8 倍，因此一個完整的裝置的質量可能是有效載荷質量的約 20 倍，即 1500 千克/彈射器。我們將需要一個採礦機器人來收集原材料，以及用於稱重和包裝有效載荷的裝置。那麼總的任務質量限額約為 10 噸，運送到月球表面。由於我們每天運送 1 噸，並且太空硬體的標稱執行壽命為 15 年，因此我們總共運送了 5500 噸，或有效載荷系統質量的 550 倍。由於太陽能電池板是總質量的一小部分，我們可以透過使用更多太陽能電池板來增加質量回報。例如，如果我們使用 11 倍的功率，這會將系統質量提高到 17 噸，但總交付量為 60.500 噸。然後，質量回報率為 3559 比 1。如果您要進行多次軌道發射，則需要多個收集平臺。新增收集平臺和更多功率是從早期系統到直觀的發展路徑。
大型離心機設計 - 此版本按比例放大有效載荷體積，降低 g 力，併為更大規模的太空工業更改一些其他假設。這遵循與較小版本相同的計算型別。我們將交付速度提高到每天 27.4 噸，或每年 10,000 噸。按照地球標準，這仍然是一個小型採礦作業，相當於每天兩輛自卸卡車的礫石，但 10 千噸約等於到 2014 年為止從地球發射的總質量，並且每年供應這種質量是一個重大的規模擴大。我們將臂半徑增加到 1000 米，這將末端加速度降低到 3062 米/秒2 或 312.3 g。這種長度的臂不會是一整塊，而是在靜止時組裝成桁架結構，以防止其彎曲，並使用張力纜在旋轉時承受負載。最終結果類似於塔式起重機（圖 4.12-5）的頂部部分，但沒有垂直塔，並且安裝在月球上的當地山脈上。
在 1750 米/秒的發射速度下，旋轉速度為 16.7 轉/分鐘，對於電動機來說很慢。因此，使用皮帶或齒輪型別機構來轉換電機速度。沿臂的總應力仍然為 156 克公里，因此它具有與較小型離心機相同的臂錐度和質量比。鑑於每天 13.3 次發射，由軌道平臺週期設定，每次有效載荷為 2,060 公斤。有效載荷的動能為 3.155 吉焦，因此需要 485.6 千瓦的平均功率。加上配重和系統損失，這將增加到 1.62 兆瓦的系統功率。使用太陽能電池板，這將有大約 16 噸的質量。在這個規模下，使用區域性熱能儲存或核反應堆在月球夜晚提供能量是合理的，而不是建造兩個大型離心機來彌補一半時間缺乏陽光。還可以使用發射之間的區域性飛輪能量儲存來節省能量，或者設計一種水平電梯式裝載裝置，以便離心機在發射之間不需要停止。另一種設計選擇是使用固定配重設定在裝載和解除安裝的有效載荷之間，並使用堅固的錨固和軸承來承受不平衡負載。16 噸的總碳纖維離心機結構仍然是合理的從軌道運送數量。如果當地玄武岩纖維生產可用，這可以節省從軌道運送，但由於強度較低，質量會更大。所有這些選擇都需要更多分析才能找到最佳設計。
散裝月球土壤的堆積密度約為 1850 公斤/立方米，因此在這種情況下，我們需要略大於 1 立方米的容器尺寸。如果鑄成一個單塊，密度為 2700-3500 公斤/立方米，有效載荷將為 0.59-0.76 立方米。如果鑄成一個 1 米 H x 1 米 D 的圓柱體，則在峰值旋轉時的自負載為 8.04 兆帕（1166 磅/平方英寸）。這低於大多數岩石的抗壓強度，在這種情況下不需要容器。如果發生斷裂，薄殼或纖維包裹可能是一個好主意。對於除鑄造岩石或固體金屬以外的有效載荷，由天然鐵製成的容器將約為 100 公斤，如果由更堅固更輕的材料製成，則更少。因此，容器佔所交付有效載荷的 5% 或更少。
除了裸露的旋轉臂和電源外，還需要錨定結構，收集原材料並將其放入容器中的機器人，下游的微調磁體，以及通訊和其他輔助裝置。這方面的總量在進行更多設計工作之前尚不清楚，但我們可以粗略估計總共 50 噸的交付裝置。由於 15 年執行壽命期間的總交付質量為 150,000 噸，因此質量回報率約為 3000:1。
線性加速器方法 -
這些被稱為 質量驅動器 或 線圈槍（圖 4.12-6），並使用一系列靜止線圈作為順序電磁體來加速有效載荷。質量驅動器迴圈移動線圈，這些線圈推動有效載荷，而線圈槍使用與有效載荷保持一體的整體線圈。兩者都是電磁加速器的變體（參見第 2.2 節）。短距離內的加速需要高峰值功率。由於加速很快完成，因此可以連續發射許多較小的有效載荷。這種方法更適合高容量交付，其中大型電源不是一種懲罰。
線性加速器設計 - [待定]
有效載荷容器 - 散裝月球岩石可能無法承受兩種彈射器型別的 g 力，而推進劑流體肯定需要容器。有幾種選擇來處理這個問題。對於早期交付，預製容器可以由著陸器交付，儘管這不如使用當地製造的容器有效。散裝岩石可以在太陽爐中加熱，然後燒結或鑄成單件。這可以在彈射器將其投擲之前進行負載測試。如果正在生產金屬，則可以將其用於容器或容器。如果正在生產纖維，則可以將其用作加固或袋子來容納有效載荷。任何型別的容器都可以使用軌道上需要的材料，因此它們的質量不會浪費在開銷上。離心機可以為有效載荷提供結構支撐，直到釋放，但釋放過程中的動態負載需要仔細注意。半徑更大或更長的彈射器將具有更低的 g 力，但物理尺寸更大。所有這些替代方案都需要研發來確定哪種方案是最佳的。
- 金屬容器
我們將使用當地的金屬鐵作為金屬容器的示例。鐵提供了在彈射器釋放有效載荷後使用磁性線圈微調軌跡的機會。加上捕獲器在貨物 30-40 分鐘的彈道軌跡期間機械地調整自身位置，這應該可以確保很高的捕獲率。月球岩石的礦物密度約為 2.7 到 3.5 克/立方厘米，具體取決於成分 (Kiefer, 2012)。我們假設平均值為 3.0。我們的離心機概念具有 75 公斤的有效載荷，因此我們需要一個 25 升的容器。一個高 32 釐米、直徑 32 釐米的圓柱體具有大約這個體積。它由臂末端的匹配尺寸的有效載荷支架支撐，底部有一個開口以釋放有效載荷。圓柱體受到總負載為 75 公斤 x 61,250 米/秒2 = 4.6 兆牛的壓縮。如果完全自支撐，並且天然鐵的工作應力為 250 兆帕，則容器需要 184 平方釐米的殼體橫截面積，並且在那裡的壁厚為 1.83 釐米。厚度可以向頂部逐漸變細，在那裡它支撐的有效載荷較少。在鐵的 7.8 克/立方厘米的密度下，殼體質量理論上將為 23 公斤，約佔總有效載荷的 1/3。這可以透過選擇容器的更好形狀並使用支架支撐負載來減少。它還可以透過選擇具有更好的強度/密度比（比強度）的另一種金屬來降低。
- 玄武岩纖維容器
玄武岩纖維的比強度（強度/密度比）約為天然鐵的 20 倍。為了節省容器質量並交付更多其他材料，我們可以用纖維代替金屬來代替容器的全部或部分。纖維纏繞壓力容器是地球上的常見設計。這些使用金屬襯裡來防止洩漏，並用高強度纖維包裹以承受高壓。纖維增強金屬將纖維嵌入大塊金屬基體中，純纖維可以編織成高強度織物。哪種選擇是最好的取決於有效載荷是什麼以及生產容器的複雜程度。理想情況下，不需要容器，但這將限制有效載荷為鑄造月球岩石，而鑄造月球岩石的強度相對較低。這限制了 g 力並增加了彈射器的尺寸。
衛星維護和加油支援 - 大多數現有衛星位於低地球軌道或高地球軌道區域，因為大多數文明都位於地球，而這些衛星的服務也都是為地球提供支援。這種情況在未來一段時間內應該會持續下去。本專案涵蓋了從月球區域到其他區域，以及在月球區域內部的衛星支援。除了少數幾個例外（國際空間站和哈勃太空望遠鏡），大多數太空專案都是一次性使用的，因為維護和加油太困難或太昂貴。然而，當衛星損壞或燃料耗盡時，更換整個衛星也非常昂貴，因為新硬體和運往太空的費用都很高。因此，維護和加油能力是可取的。來自月球和近地小行星的原材料，以及月球區域的能源，可以支援這種能力，以及其他區域的專案和地球的支援。支援產品包括推進劑供應，包括化學推進和電推進的推進劑。推進劑用於為衛星加油，清除軌道碎片，以及運輸維護裝置到衛星或將衛星運送到維護地點。它們還包括材料供應，包括用於人員和裝置的輻射遮蔽，以及用於輻射帶消耗的散裝材料。
[待定]
上述的各種專案之間不會相互孤立，而月球區域也不會與其他區域和地球上的文明孤立。因此，我們要將這些專案彼此聯絡起來，並與其他專案階段聯絡起來。概念探索是設計的第一步，因此專案本身還沒有完全確定。將它們整合到更大的專案中，距離完成就更遠了。與其嘗試制定一個完整的計劃，不如現在只記錄它們之間的個別關係。
月球玄武岩在月球上廣泛存在。彈射器可以將其大量送入軌道，在那裡一個加工廠可以熔化它並生產高強度玄武岩纖維。這可以用於建造太空電梯，使人和其他易碎貨物更容易到達月球表面。或者，碳質小行星可以提供碳，也可以生產高強度纖維。碳纖維強度略高，但玄武岩需要的加工步驟更少。將原材料運送到加工地點的難度各不相同。哪種方法在特定情況下更可取，目前尚無定論。高強度纖維也可以用作壓力容器的增強材料，而礦物纖維通常可以用作絕緣材料。