第 4.5 節：第 4A 階段 - 低軌道開發

低地球軌道 (LEO) 是第一個被開發的太空區域，始於 1957 年第一個軌道衛星發射。它仍然佔軌道中人工質量的最大部分，但尚未成為完整的經濟體。截至 2017 年，該地區的活動主要是公共專案，例如科學和軍事專案，以及對地面活動的支援，例如地球觀測和一些通訊。活動的範圍有限，是因為與地面大多數活動相比，進入軌道的成本很高。地球上第 2B 階段的工業發展應該會大大降低運輸成本，而利用太空中的材料和能源則會進一步降低總成本。這種組合應該能夠使該地區的開發規模更大，經濟基礎更廣泛。

 為了我們專案的需要，我們認為第 4A 階段從地球工業發展（第 2B 階段）使裝置能夠送入軌道的那一刻開始。我們認識到現有的活動，但考慮未來可能進行的新增或更改。由於低軌道是地球上最接近和最低能量的區域，因此該階段的新活動通常會先於其他太空階段。但是，太空中的大部分有用資源都位於低軌道之外。因此，該地區的大部分開發都將是為了支援更遙遠的地區。反過來，低軌道區域需要第 2B 階段空間工業的持續支援，因為需要工業規模的生產和運輸系統才能進入低軌道。這個階段和其他階段一樣，一旦開始就會繼續並行進行。

 低軌道區域已經被用於多種目的，並且未來還有許多可能的新用途。這使其成為一個複雜的工程挑戰。因此，我們應用了來自 第 1.5 節 的系統工程方法。這從概念探索開始，我們將在本節中進行探討。我們首先描述該地區的特徵，並進行行業調查以識別未來的其他活動。然後，我們研究驅動因素，如動機、經濟和技術，這些因素將導致專案的啟動。這些資訊將被整合到開發方法中，以及根據時間和功能排列的一系列活動和專案。最後，我們將專案彼此關聯，以及與其他專案階段關聯。對於我們已經開發了更多細節和計算的專案，將在本節的最後部分進行更詳細的描述。作為我們概念探索的產出，我們將識別出為這個階段準備所需的研究與開發，並將資訊反饋給前一個階段 0G - 低軌道開發研究與開發。

低軌道特徵

區域定義

我們的專案將 低地球軌道 (LEO) 區域定義為平均在地球半徑之上 160 到 2700 公里的軌道。如果不會與其他天體的低軌道混淆，我們通常會將此簡稱為“低軌道”。它完全被高地球軌道區域包圍，反過來也完全包圍地球。從表面向上建造超過 160 公里的靜態結構將非常困難，而無支撐的靜止物體將會迅速墜落。因此，持久存在於該區域的物理物體需要以特定速度和方向運動，以避免與地球相交或上升過高。這與地球上的位置不同，在該位置物體可以具有緯度、經度和高度的固定座標。

 第 4A 到 4F 階段的位置由一組 軌道要素 確定。這些引數決定了軌道的尺寸和形狀，如何在三維空間中進行定向，以及在給定時間沿軌道的位置。對於低地球軌道，這些引數通常以地球中心和 天球 上的固定方向為參考。物體的軌道運動會不斷改變其位置，但可以從給定位置投影到過去和未來。軌道引數會隨著時間的推移而發生變化，這可能是由於自然力量或使用 第二部分 中列出的任何運輸方法造成的。因此，一個建成的場地，例如空間站，可能會隨著時間的推移改變其軌道。

 該區域的下限由大氣阻力會導致軌道快速衰減而無需補償推進的區域決定。這略高於其他方法確定的大氣與太空之間的 80-122 公里 邊界劃分。海拔 80-160 公里範圍具有類似太空的條件，例如接近真空的壓力水平，但無支撐的物體只能暫時地停留在這個範圍內。更永久的停留需要連線到地面或更高軌道的物體。因此，我們將此過渡範圍內的物品分配給更早的階段（如果它們是短暫的或連線到地面的），或分配給這個階段（如果它們連線到高於 160 公里的物體）。

 該區域的上限由能量方面最低穩定軌道和地球逃逸速度之間的一半決定，或者在地球表面到逃逸速度的能量的 75%。這是一個任意極限，但較低的軌道與較高的軌道條件差異很大，因此需要區分。軌道可以是橢圓形的，隨著沿軌道的移動，高度會發生變化，因此我們透過沿主要 軌道軸 的近地點和遠地點的平均值來定義區域。然後，該區域內橢圓軌道的最高點在地表上方 5240 公里（0.82 $R_{\bigoplus }$)。由於軌道具有多種可能的方位和形狀，因此該區域在物理空間中具有模糊的邊界。相反，物體滿足或不滿足我們對該區域的定義。

 地球的引力是該區域內的主導力量，至少比月球的引力強 74,200 倍，比太陽的引力強 500 倍。使用平均上限高度確定的該區域的總體積是地球體積的 1.8 倍，橫截面是地球陸地面積的 85.7%。由於軌道相交以及阻擋陽光照射到表面，因此並非所有區域都可用。儘管如此，可用的空間仍然很大。

環境引數

在低軌道中設計持久物體必須適應當地環境條件。我們考慮與地球和其他太空區域專案相同的環境引數。如果當地條件超出了先前設計的範圍，則必須相應地進行修改。我們還注意到低軌道的一些獨特條件，這些條件必須在設計中考慮。

主要引數

 溫度

在地球到太陽平均距離的位置，一個**黑體** 在太陽照射的一側的平衡溫度為 393.7 K (120.5 C)。低地球軌道物體運動以地球為中心，因此理論上擁有相同的平衡溫度。實際硬體溫度將取決於其在地球陰影中的時間、方向、地球紅外輻射（隨高度變化）、反照率、發射率和熱效能。例如，一個 50% 反射率的灰色物體，如果始終處於陽光下，其背對太陽的一側的溫度將達到 331.0 K (57.9 C)。然而，低地球軌道物體通常會處於地球陰影中 22-40% 的時間，導致溫度降至 245 到 262 K (-28 到 -11 C)。各種硬體設計的最終結果是平均溫度介於地球上常見的溫和到極端範圍，但會因穿越地球陰影而出現短期波動。

 目前，太空裝置的設計追求低重量，因此熱質量也較低。太空真空也缺乏與周圍環境的熱對流和熱傳導。因此，當裝置進出陽光時，內部溫度可能會發生顯著變化。衛星的某些部分也可能被常態性地調整方向，使其面向或背離太陽，從而導致其溫度高於或低於平均水平。因此，雖然平均溫度可能是合理的，但特定的裝置部件可能需要適應性設計以滿足其工作條件。

 大氣和水供應

**地球大氣層** 延伸至地表以上約 10,000 公里，因此覆蓋整個低地球軌道區域。然而，密度會隨高度降低，在 160 公里處，大氣密度比海平面低十億倍，對於人類而言處於極端範圍，對於許多設計目的而言處於硬真空條件。由於軌道速度，160 公里處的動態壓強小於 0.05 N/m²。這比海平面上的靜壓低 180 萬倍，比巡航高度的客機低約 18 萬倍。因此，對於大多數設計目的而言可以忽略不計，儘管它足以導致軌道衰減。自然水在該區域基本不存在，需要從其他地方進口。由於目前的運輸成本很高，目前使用水的裝置和工藝可能需要進行改造以減少用水量，或用不使用水的替代方法來替代。

 地面強度

由於這是一個軌道區域，因此與建設或運輸有關的土壤或岩石強度並不重要。

 重力水平

該區域地球重力隨高度變化，從 9.3 到 2.95 m/s²，或地表重力的 95% 到 30%。從 160 到 5240 公里高度的變化遵循地球中心距離的平方反比定律。然而，該區域的大多數物體將處於自由落體條件下的軌道。重力仍然會使它們向下加速，但它們的水平運動足以使地球以補償的量彎曲。較小物體的不同部分會感受到大致相同的加速度，因此它們在彼此之間不會感受到淨加速度。在小尺度上，這種效應就像沒有重力作用一樣，因此沒有用於設計目的的結構載荷。

 對於較大的物體，情況有所不同。它們的各個部分與地球中心的距離不同，指向中心的也方向各異。因此，重力的大小和方向不同，導致各個部分之間產生淨力。物體越大，這些差異越明顯，最終可能成為主要的設計載荷。人工重力對人類健康以及某些生產和運輸方式至關重要。這可以透過旋轉來產生，並會產生額外的設計載荷。

 輻射水平

地球擁有自然產生的**輻射帶**，其中包含高能帶電粒子。這些粒子主要來自**太陽風**，並被地球的**磁場** 捕獲。內輻射帶通常延伸至 1000 到 6000 公里高度，但部分割槽域可能低至 200 公里。因此，它覆蓋了大部分低地球軌道區域。磁場，以及由此產生的輻射帶，通常呈環形（甜甜圈狀），因此輻射水平會隨高度和緯度而發生劇烈變化。磁場相對於地球極軸傾斜且偏離中心，太陽風壓力會導致磁場發生可變的扭曲。因此，輻射帶會移動，輻射水平會因軌道位置和時間而異。

 在輻射帶密集區域，未遮蔽的人員會在幾天或幾個月內受到致命劑量的輻射，並且輻射會導致裝置的永久損壞和瞬時故障。到目前為止，避免人員接觸輻射的主要方法是待在輻射強度較低的較低軌道，以及在執行月球任務時快速穿過輻射帶的高緯度區域。一些衛星的軌道要求它們處於輻射帶的高輻射區域。這需要在設計中進行**輻射加固**。未來解決輻射問題的方法包括使用大質量物體進行區域性遮蔽，透過用質量或靜電裝置攔截粒子來削弱輻射帶，以及使用位於地球和太陽之間的“上風”裝置來減少粒子源。

 通訊時間

該區域的大多數長距離通訊將透過真空中的電磁波（無線電或雷射）進行。因此，地球之間以及該區域內的往返（ping）通訊時間主要取決於距離和光速。與地球的直接通訊時間最短可達 1 毫秒 (ms)，但這很少見。從該區域最高軌道高度到地球視界線的距離為 9700 公里，因此 ping 時間為 65 毫秒。從太空到地面的終端到地面通訊的最終點之間還會有額外的傳輸時間。該區域內兩點之間的直接通訊時間最長可達地面通訊時間的兩倍，對於從兩端最大高度掠過地球的路徑而言，為 130 毫秒。直接訊號無法穿透地球，因此部分太空到地面和太空到太空通訊必須透過一個或多箇中繼點。如今，這通常透過同步軌道衛星進行，因為這為地面站提供了固定目標，並且三顆衛星可以覆蓋地球的大部分割槽域。最壞情況下的鏈路可能需要兩顆位於最大距離的同步軌道衛星，因此 ping 時間為 1100 毫秒 (1.1 秒)。低地球軌道點對點衛星網路正在開發中。它們需要更多衛星，因為每個衛星在任何時刻都只能看到地球的一小部分。這種網路將使最壞情況下的 ping 時間縮短至約 180 毫秒。

 旅行時間

該區域的軌道週期約為 90 到 144 分鐘。地球在給定軌道下旋轉，物體在不同軌道上以不同的速度不斷運動。因此，從地球到該區域的點，或該區域內不同點之間的旅行時間通常受適當對齊的等待時間的支配，而不是軌道週期本身。地球自轉和給定地點安全發射方向的組合通常導致每天一個發射視窗。到達地球軌道後，與目標的精確匹配可能需要另一天。因此，總旅行時間將為 1-2 天，儘管如今的太空旅行規劃需要更長的準備時間進行培訓和獲取乘車機會。

 傾斜軌道的平面會由於地球赤道隆起而每天發生幾度的偏移。因此，最小能量的軌道到軌道轉移需要軌道平面對齊，這可能需要大約 100 天的等待時間。軌道之間的點對點旅行可以更快完成，但如果使用化學火箭，則會消耗大量的推進劑。電力推進或其他推進方式效率更高，但通常在提供所需的速率變化方面速度較慢。未來，該區域內以及其他地點的交通將有動力集中在赤道軌道上。這減少了發射的等待時間，因為軌道每次都經過地面上的相同點。它們還消除了赤道隆起造成的平面偏移效應。仍然需要其他傾角的軌道，因此並非所有交通都將是赤道軌道。它們仍然必須處理旅行延誤。

 停留時間

最近對位於低地球軌道區域的國際空間站的任務平均停留時間為 6 個月，最長為 1 年。相比之下，美國在特定縣（為此目的，縣是一個地點）的平均停留時間為 25 年，增長最快的縣的平均停留時間為 7 年（增長加上流動性）。因此，軌道停留時間相比於地面上的停留時間較短。短暫的軌道停留時間增加了運輸需求，但減少了個人空間和舒適度的需求，因為機組人員瞭解這些條件只是暫時的。當前的停留時間受輻射暴露和長期失重影響的限制，儘管人們試圖抵消這些影響。如果需要更長時間的停留，則設計必須解決輻射和重力問題，並提供更大的個人空間和舒適度。目前的國際空間站是為失重研究而設計的，因此這種設計變更將意味著需要建造新的軌道設施。

 運輸能量 - 從地球表面到該區域最低高度的最小理論運輸能量為 32 MJ/kg，包括動能和勢能，減去地球自轉的貢獻。該區域的最高軌道大約需要多 50%，即 48 MJ/kg。然而，現有的化學火箭，如獵鷹 9 號，其有效載荷僅為起飛質量的 4%，其餘大部分是消耗其能量的推進劑。假設 90% 的起飛質量是 RP-1/氧氣，其化學能為 13 MJ/kg，那麼消耗的運輸能量為每公斤有效載荷 285 MJ，系統效率為 11%。

獨特條件

 晝長

該區域的軌道週期從 87.5 分鐘到 143.5 分鐘不等，如果衛星穿過地球陰影，就會出現晝夜迴圈。一些軌道是“太陽同步”的，其路徑定向以避免黑暗，但大多數軌道並非如此。

可用資源

能源資源

自 1962 年以來，太陽能一直是該區域衛星的主要能源。一個顯著的例外是太空梭，它使用燃料電池，以及一小部分使用核能的衛星。許多衛星都配備電池，以覆蓋地球陰影中的時間和偶爾的日食。

太陽能 - 太陽常數在 1 AU 時為 1361 W/m²（太陽活動極小值），在太陽活動極大值時約高 1 W。地球的軌道相對於太陽的距離在 0.987 AU 到 1.017 AU 之間變化，這會使區域性強度相對於參考值發生 +2.65% 到 -3.3% 的變化。軌道半徑對太陽距離和通量的影響可忽略不計。根據軌道引數的不同，衛星最多可以將 40% 的時間處於陰影中，通常隨著高度的增加而減少，並由於軌道進動而週期性地變化。該區域的總可用能量很大（352,000 TW），但並非所有能量都能使用，因為這會阻擋陽光到達地球。一個合理的限制是此值的 1%，這仍然是 2017 年文明總能源消耗量的 175 倍。自然形式的陽光可用於照明和植物生長，而使用太陽能電池板將其轉換為電能是可靠的，效率高達 30%。聚光反射器可以產生高溫，以及更高的電氣效率，但代價是複雜性和重量的增加。

其他能源 - 電池是處理每次軌道 35 分鐘或更短時間的黑暗的常用方式，燃料電池和核能過去也曾使用過。一些未來的可能性是來自地面或其他衛星的定向能量，以及使用電導體或動量交換來利用衛星的軌道能量。為了防止軌道衰變，軌道能量必須從其他來源補充。

物質資源

地球大氣層 - 160 公里以上的大氣層中約有 32.5 公斤/平方公里，總計 1,750 萬噸。如果收集一些氣體，更多氣體將從下方補充，因此它是一個龐大但密度低的資源。該海拔高度的標高，即壓力下降到 e 倍的距離，為 26.4 公里，在 200 公里高度上升到 36 公里，因此大部分氣體集中在 160-200 公里高度範圍內。該範圍內的成分主要是氮氣（N₂），以及單原子氧（O），而不是低海拔高度發現的雙原子氧（O₂）。可以使用反向噴嘴從軌道上收集該區域的空氣，該噴嘴會壓縮排入的氣流。然而，由此產生的阻力必須用電推進產生的推力來平衡，使用收集氣體的一部分。

軌道碎片 - 截至 2017 年，該區域包含數千噸的非功能性衛星、空的上級火箭以及由碰撞和其他原因產生的較小碎片。碎片質量的增長速度快於軌道衰變將其移除的速度。所有的人造碎片都是為太空使用而設計的，其中一些碎片可能仍然包含功能部件，即使衛星整體不再工作。這是一個潛在的可用材料和部件來源，這些材料和部件已經存在於該區域，儘管其有用性還有待證明。至少，應盡力清除它們，因為它們是一種危害。

其他來源 - 其他自然物質來源微不足道，例如流星、塵埃和顆粒的通量，地球在該區域沒有天然衛星。因此，其他所需的材料將不得不從地球或更遠的區域進口。從更高軌道到該區域的運輸，大多可以透過對地球大氣層進行緩慢的大氣制動來完成。它利用了比大氣再入更高的海拔高度，因此不會產生高加速度或極度熱量。其餘機動透過常規的推進方式完成，但總體效率要高得多。即使地球表面在物理上很近，從那裡運送也需要更多能量。

行業調查

• 現有的衛星、專案和計劃已在使用該區域。它們可以為該階段提供輸入或接收輸出，或適應該階段的需要
• 靠近地球，因此產品（材料、部件、裝置）和能量（定向、化學、核能）可以從現有的文明中運送。勞動力可以被直接或遠端地提供。

開發專案

長期專案

低軌道運輸

軌道拖船

人員運輸

運輸基礎設施

(太空鉤，太空港，倉庫)

 

---

   

[仍待合併]

概念探索方法

 系統透過一系列生命週期階段演變，從最初的想法到最終的處置。對於近地軌道區域的專案和位置，我們將解決其早期設計階段，即概念探索和概念設計，以下列任務集，並在下面詳細說明

• 1. 概念探索

1.1 區域定義 - 邊界、環境和資源

1.2 階段候選 - 來自專案目標和目標、參考架構、行業清單以及未來太空專案的計劃的活動

1.3 階段需求 - 與當前太空計劃進行比較以確定新的專案和位置

1.4 階段概念 - 組織成邏輯順序並連結到其他階段

• 2. 開發參考架構
• 3. 確定需求和度量
• 4. 執行功能分析
• 5. 分配需求
• 6. 模型替代方案和系統

6.1 收集外部技術資訊

6.2 開發替代方案

6.2.1 按功能確定相關領域

6.2.2 開發候選技術和方法清單

6.2.3 評估候選的可行性

6.2.4 確定相關選項的規模

6.2.5 量化選項引數和配置

6.3 構建系統模型

• 7. 最佳化和權衡替代方案
• 8. 合成和記錄概念設計

8.1 編寫概念書籍和文章

8.2 編寫設計技術報告