第 4.5 節：階段 4A - 低軌道開發（第 2 頁）
假設有一種將貨物送入軌道的傳統方法，可能還有超高速發射器（上一節），下一步是建立一個組裝站，從高重力發射器收集貨物，以及從傳統火箭收集更敏感的貨物和人員，並在那裡為進一步的空間專案建造更大的系統。組裝降低了單個發射所需的規模，從而降低了前期開發成本。
先前的載人空間站，特別是目前的國際空間站，已經將軌道組裝作為一種工程方法。組裝的特殊特徵包括，首先，設計要組裝的部件。機械對接裝置包括用於對齊部件的導軌、用於牢固固定它們的鎖緊裝置和動力螺栓，以及在部件連線時自動連線的電氣和其他聯結器。組裝的重型體力勞動由軌道安裝的機器人機械臂完成，通常由機載操作員控制。較輕的作業由穿著增壓服的人員完成。該專案的經驗是一個良好的起點，但自空間站設計確定以來已經大約 20 年了。從那時起，計算機和通訊已經取得了長足的進步。此外，持續增長的設計需要不同的設計理念。
本例中的方法使用比過去更小的模組化元件。在早期建造階段，這些元件由遙控/自動化機械臂組裝成更大的單元。一旦建立了足夠的設施，就可以增加人類機組人員。機器人工作利用了先進製造步驟的經驗。組裝站起初非常基礎，並透過新增更多模組化部件逐漸擴充套件其能力，隨後透過在當地製造物品而不是僅僅組裝交付的貨物來擴充套件能力。設計的一個重要部分是使用標準化的模組化元件。這樣，新的部件就可以以任何方式新增，並且仍然可以匹配，並且每個新工作都不需要新的設計。此外，使用標準部件可以更容易地儲存備件。
像桁架單元這樣的零件，本身就很堅固，可以打包進行炮彈發射，然後組裝成完整的桁架。具有剛性壁的增壓模組不適合炮彈發射貨物，但充氣模組可能適合。或者，錐形或圓頂部分可以巢狀，然後組裝成完整的模組。如果有真空焊機或層壓帶繞線機，則可以從較小的部件組裝模組。因此，需要檢查每個元件以找到最佳的交付方法，並且最終可能會混合使用多種發射方法。
組裝站的輸出將是商業物品，如航天器或航天器部件，以及擴充套件後續步驟範圍的內部生產。例如，組裝站可以從部件組裝一個採礦拖船，然後該拖船前往從近地小行星收集材料。從某種意義上說，該站可以“自我複製”，透過分離或組裝一個子集，然後該子集可以作為在新的位置進行建設的種子。最初的增長是透過簡單地新增更多給定尺寸的模組來實現的。隨後的增長可以透過在經濟上合理的情況下使用來自地球的更大發射系統來實現，或者透過為後續“代”的建設生產更大的元件來實現。
以下是組裝站啟動部件列表。需要進行更多詳細的分析和設計才能最終確定列表，但這將說明此類設計中包含的模組型別。第一次發射可能由另一個發射系統完成，以使一個完整的執行系統能夠作為一個單元交付。隨後的發射可以是作為增量逐個交付的較小元件。
要交付到軌道的首批物品之一將是一個小型化學推進單元。它將包括油箱、燃料和小型推進器，以及一種牢固對接其他結構的方法。對介面可能簡單到一個吸引另一個有效載荷的磁鐵，然後是一些螺栓或夾具來固定它。推進單元完成所有移動以與有效載荷對齊的工作。對接其他有效載荷將自動連線電源和資料線。對於第一次發射，將電子單元和部分加註燃料的推進器單元作為一個貨物發射是可行的。否則，將使用更大容量的發射系統。
不斷增長的組裝站將使用燃料來滿足每個到達軌道的貨物，以及彌補任何低軌道高度存在的稀薄大氣造成的阻力損失。因此，它需要定期加油。
這將包含一些較小的太陽能電池陣列用於供電、一些計算機系統、電池、一個或多個用於導航的攝像頭和 GPS 單元，以及無線電或雷射通訊。
接下來的幾件物品將是機械臂，使推進單元能夠執行更多由地面控制的複雜任務。像機械臂這樣的物品將受到設計權衡的影響。它們必須為炮彈運送而製成非常堅固的結構，而不是傳統火箭發射的輕型版本。機械臂可以製成帶有 1 個或 2 個關節的節段，這些節段串聯連線以製造更靈活的單元，並具有可更換的工具/操縱器端部以執行不同的任務。機械臂設計為雙端，因此任一端都可以連線到底座或工具，並具有一個分體關節，可以從一根軸延伸到兩個或多個“手指”或“臂”。
這些是連線到機械臂的工具，以及用於在各處移動機械臂的軌道車單元。
這是一組桁架單元，可以組裝成更大的任意結構，軌道組裝站的其他部分將連線到這些結構上。一種方法是使用球杆桁架，在交匯處設定樞紐，樞紐上帶有 90 度和 45 度角的配件。這些樞紐透過標準長度的支撐杆連線起來形成框架。基礎桁架的間距可能是 1 米，並配有介面卡，以便根據需要放大或縮小到其他網格尺寸。填充板將跨越桁架間距以增加剛度或提供容器空間或其他安裝位置。根據需要，板可以是穿孔的或實心的。
基本結構系統包括用於在各個位置之間移動機械臂和其他物品的軌道。軌道將從樞紐延伸一小段距離，並帶有平滑的接頭以允許連續運動。彎曲或樞軸部分將能夠改變運動平面。
這裡的概念是擁有一個冗餘且模組化的公用設施系統，並根據需要新增不同的服務（電力、資料、燃料管道）。一種方法是使用桁架柱作為公用設施載體，並安裝支撐支架來固定各種管道，並在側面安裝隔熱層或隕石毯。這樣可以方便地進行新增或維修。
這裡還有另一個需要權衡的問題，即光伏陣列不適合用炮彈發射，但重量輕，而布雷頓發電機理論上可以非常堅固。對於低軌道，電源單元需要某種形式的儲存，例如電池，因為陽光只在 60% 的時間裡可用。首先，只需將光伏陣列連線到您的結構基座即可提供電源。
對於需要更多燃料的更長時間的任務，將新增離子或等離子體推進器，它們比化學推進器更有效率。
某些裝置和人類受益於不在真空中。其他任務則受益於溫度控制或防止碎片的包含。對於這些型別的需求，需要一個封閉的模組。對於早期使用，充氣模組可能適用。成品模組不適合用炮彈發射，但可以將纖維增強鋁帶以線軸的形式發射，然後在芯軸周圍成形以建立更大的形狀。集中的陽光和壓力輥可以將鋁帶層進行釺焊/固化，直到達到足夠的厚度。這樣，炮彈的少量貨物容積可以用來製造更大的物品。一旦有足夠的宜居空間和供應，人類就可以開始在組裝站工作，但最初的建造工作將完全透過遙控進行。
電力推進的燃料效率通常是化學火箭的十倍左右。因此，它們將指數級的燃料需求（推動更多燃料所需的燃料）轉變為大多數太陽系任務的近乎線性的燃料需求。這一步驟的時機將與軌道組裝開始同時或緊隨其後。
有幾種型別的電力推進器是近期使用的良好候選者。這裡的選擇基於開發狀態和實用性。
- 49 靜電離子 - 這會將電子從氣體原子中剝離，使它們帶電，這稱為“電離”。一旦帶電，它們就可以透過具有較大電壓差的金屬螢幕加速。離子推進器被用於一些通訊衛星，而黎明號宇宙飛船目前正在探索灶神星和穀神星小行星。
- 51 微波加熱等離子體 - 這種型別使用微波頻率加熱器來加熱燃料。這與微波爐的原理相同，但強度更高。超過一定溫度，燃料中被加熱的原子會相互剝離電子，將其變成離子與電子混合物，這被稱為等離子體。等離子體被磁場約束和引導。你需要這樣做，因為等離子體非常熱，會熔化任何與之接觸的東西，或者使其自身冷卻過度。事實上，在地球上，等離子體被用作一種高效切割金屬的方法。這種推進器的一個版本目前正在地面開發，並將很快進行太空站上的測試飛行。它的全稱是可變比衝磁等離子體火箭，簡稱VASIMR。作為一類，它們被稱為等離子體推進器。
- 72 電離層電流 - 它的工作原理就像一個電動機，在磁場中使電流在導線中流動。電流的迴路線是電離層。這種方法僅限於具有合適磁場和電離層密度的地方，但幸運的是，低地球軌道就是這樣一個位置。它的吸引力在於它不需要直接使用燃料，只需要少量洩漏的等離子體來與電離層建立電接觸。如果它是一個使用燃料的引擎，則等效排氣速度為 250 公里/秒。由於低軌道是我們想要首先使用的地方，因此開發這種型別的推進器是重中之重。請注意，它不像其他型別那樣完全開發。
所有火箭的工作原理都是在一個方向上拋射質量，根據牛頓定律（每一個作用都有一個大小相等、方向相反的反作用），火箭的其餘部分被推向另一個方向。拋射質量的速度越快，你從中獲得的推力（動量）就越大。傳統火箭在燃燒室中燃燒燃料，然後讓它膨脹到超音速噴嘴中，使其儘可能快地運動。噴嘴的形狀受膨脹氣體物理學的支配，這就是為什麼它們看起來或多或少都一樣的原因。它能達到的速度受氣體溫度和分子量的限制。當今使用的最佳組合是按重量比 1:6 的比例燃燒氫氣和氧氣。這主要產生蒸汽，並留下少量氫氣以降低平均分子量。氣體運動速度在技術上稱為排氣速度，對於這種燃料型別，排氣速度限制在大約 4.5 公里/秒。
電力推進器不受燃料燃燒產生的能量的限制。它們從外部電源向燃料供電，因此可以獲得更高的排氣速度。這讓你從給定數量的燃料中獲得更多的推力。由於你使用燃料的數量是有限的，因此這在與排氣速度增加成正比的情況下更有效率。用汽車作類比，你正在獲得更好的“燃油里程”。
極高的燃料效率是這種推進器重要的關鍵。如果你在太空中進行大量移動，那麼節省的燃料遠遠超過（從字面上看）電源的質量和成本。傳統火箭只需要一個相當輕的燃料箱，但會燃燒更多的燃料。電力推進器在運輸人類時的一個缺點是它們的推力相對較低。這使得行程時間更長。有各種方法可以解決這個缺點。例如，緩慢穿過地球輻射帶會導致不可接受的輻射暴露。因此，你可以用電力推進器運輸你的主要運載工具，需要幾周時間，然後在主要運載工具離開輻射帶後，用一個小型太空艙送達機組人員，這隻需要幾個小時。
所有型別的電力推進器都需要外部電源，因為燃料不像化學發動機那樣自發熱。太空中最常用的電源是光伏電池板。在數百千瓦或更高的功率水平下，這些電池板可能變得笨重，並且它們的單位面積功率輸出與太陽距離的平方成反比下降。因此，對於一些過去和未來的任務，核電源更受青睞。小型核發電機基於同位素衰變，而大型核發電機則是完整的核反應堆。任何型別的核裝置都會帶來技術和政治上的複雜問題。
電力推進器不能直接用於大型天體的發射或著陸，因為它們的推重比遠小於當地重力加速度。它們可以透過太空纜索/電梯式系統間接使用。化學發動機可以使車輛的推重比遠高於地球重力，這是迄今為止它們成為主要發射方式的原因之一。
離子推進器和微波等離子體推進器的排氣速度都在 20 到 50 公里/秒的範圍內，因此燃料效率比傳統火箭高 4 到 10 倍。與地球上的電力裝置一樣，它們的額定功率為其使用的功率。黎明號航天器配備了一套 10 千瓦的太陽能電池板，而正在開發的 VASIMR 推進器額定功率為 200 千瓦。通常，離子推進器在較低功率水平下可以保持效率，因為離子流不需要被約束場限制，而等離子體需要一個場將其與固體硬體隔離開。在小型尺寸下，等離子體體積與發動機總體積之比變小，效率下降。
出於效率原因，離子推進器更喜歡高原子量燃料。電離原子的能量在元素週期表中大致恆定，但在這種型別的發動機中不產生推力。因此，使用高重量燃料可以降低用於電離的總功率相對於加速度的比例。通常使用氙氣作為燃料。等離子體推進器可以使用大多數燃料型別，因為它們的目的是使等離子體變得極其熱，大約一百萬度。透過調整微波發生器，大多數原子和分子都會吸收能量。一個關鍵優勢是像氧氣或水這樣的燃料在小行星中很常見，因此電力推進器可以在當地進行燃料補給，而不必將所有燃料從地球運來。
以下早期任務可以從相對較小的推力水平開始執行，並逐步發展到更雄心勃勃的任務。
這項任務涉及從地球大氣邊緣收集空氣作為燃料和呼吸。我們從一個 50 千瓦的太陽能電池陣列和一個 VASIMR 型推進器開始，它可以在 40% 的效率和 20 公里/秒的排氣速度下產生 2 牛頓的推力。假設太陽能電池陣列使用現代多層電池，效率為 30%，功率質量比為 100 瓦/千克。因此，該陣列的質量為 500 千克，我們假設它透過間歇使用在 30% 的時間內執行。然後，電力推進器可以產生 0.6 牛頓的平均推力。在 200 公里高度，每平方米的收集器產生 0.0129 牛頓的阻力，因此允許的收集器總面積為 46 平方米以匹配平均推力。這將收集 0.08 克/秒，推進器消耗 0.03 克/秒，淨剩餘 0.05 克/秒。這相當於每天 4.32 千克，或每年 3.15 倍的太陽能電池陣列質量。
後續擴充套件將相同的推進器模組提升到 200 千瓦功率水平和 5.7 牛頓推力，排氣速度為 50 公里/秒，執行時間為 60%。執行時間受地球陰影中 40% 軌道的影響限制。因此，平均推力為 3.42 牛頓，收集速率為 0.456 克/秒。推進器使用 0.114 克/秒，淨剩餘 0.342 克/秒。這相當於每天 29.5 千克或每年 10,785 千克，或每年 5.4 倍的電池陣列質量。如果電池陣列的使用壽命為 15 年，則它們可以總共提供 75 倍於其自身質量的物質。用於補償阻力的電動力推進器可能會進一步改善這一點。
對於人類運輸，在穿過輻射帶時速度很重要，可以分離收集到的空氣以獲取氧氣，並與來自地球的額外氫氣混合在化學推進器中。或者可以使用較低排氣速度、較高推力的電力推進器，犧牲燃料效率以實現快速運輸。有幾種等離子體和電弧噴射推進器可以完成這項工作。
地球軌道上積累了來自航天器爆炸和碰撞的碎片，並且有一些非功能性衛星只需要修復一個部件或新增新燃料即可重新執行。這項任務涉及使用一系列電力推進器車輛尺寸來收集碎片，在現場修理或為衛星加油，或將它們帶到軌道平臺進行維護。碎片的質量範圍小到幾釐米或更小，因此用大型車輛收集它效率低下。或者，衛星的質量可能高達幾噸。因此，我們選擇電力車輛尺寸以匹配正在收集或移動的物體的大小。對於碎片收集，可以在一次旅行中收集幾個處於相似軌道上的碎片，以最大限度地減少燃料使用和任務時間。這些清理任務的燃料來自大氣開採。根據目標物件的不同，我們執行以下一項或多項任務
- 收集軌道碎片，並將其送入足夠低的軌道使其快速衰減並燃燒殆盡，或將碎片送入處理單元以提取有用的材料。
- 將無法工作的衛星硬體送回軌道平臺，以便回收可用部件。
- 在軌道平臺上用回收或新部件修理無法工作的衛星。
- 在現有衛星的當前位置維修、加油或安裝新的推進裝置。
- 將新貨物運輸到更高的軌道。
以上任務大致按規模和難度排序。在回收使用過的衛星之前，您需要獲得其原始所有者的許可。破損碎片的法律制度尚不清楚。如果它們被認為是對航行的威脅，則可能會在未經許可的情況下將其移除，或向原始所有者收取清理費用。
[移至第 4B 階段高軌道] 生產的進一步擴充套件可能會導致電力衛星，這些衛星將能量束射到地球以提供 24 小時電力。如果這在經濟上可行，它很可能是對地球最大的出口市場。太陽能熱發電與儲能系統在地球上的陽光充足地區有效，但許多人居住在沒有陽光充足氣候的地區。太空中的太陽能通量是地面低日照氣候的 10 倍。儘管太空建造的額外成本，但從軌道傳輸的能量可能最終更便宜。如果衛星及其生產裝置的大部分材料可以來自太空，並且生產高度自動化，則尤其如此。