第 1.10 節 - 未來專案

第 (1.9) 節 描述了現有的太空計劃和專案。本節列出了未來計劃和專案中太空活動的類別和任務目標。本書的第二部分和第三部分將描述實施這些活動的運輸和工程要素。它們還討論瞭如何設計、建造和操作執行所需功能的完整系統。給定的專案、地點或任務可能包含以上多個專案。多種活動可以同時存在，但沒有其他關聯，就像一座大型辦公樓可以容納多個不相關的租戶一樣。在這種情況下，專案可能會在各種活動之間共享電力等聯合服務。或者，多種活動可以並行連結，例如從小行星材料中回收材料並從這些材料中為牽引車加油。這些活動也可以按邏輯順序連線，其中一項活動緊隨另一項活動，例如使用先前生產的庫存材料建造新的探索或採礦車輛。我們將任何包含多種不同活動的專案稱為複雜專案，並在第四部分提供了詳細的示例。許多其他此類複雜專案是可能的，但我們的示例旨在成為未來活動的教程和合理提案。

下面列出的活動按理想的複雜程度排序。實際執行多個專案的程式可能會選擇不同的順序，從設計和時間安排的角度來看，這更有意義。隨著文明向太空擴張，最終我們將包含地球上今天發生的各種行業和活動。因此，此列表並不詳盡。相反，它包括與太空特別相關的更重要的專案。

散裝質量

散裝質量是未分化為製造部件的物質，無論是處於原始未加工狀態，還是加工成精煉產品。散裝物質的數量是一個主要變數，因為所有型別相同的散裝物質都是等效的。地球具有深重力井，逃逸需要 62.5 MJ/kg。這目前很困難且昂貴。已經在太空中靠近您需要它們的當地散裝材料來源，通常可以以更少的總能量進行運輸和加工。太陽能在太陽系內部的量非常豐富，並且幾乎到處都可以獲得。因此，理論上的運輸和加工成本很低。因此，在太空中獲取散裝材料具有經濟上的激勵。散裝材料可用於推進劑和燃料，用作輻射遮蔽，或作為礦石進行提取和進一步加工成有用的產品。

美國宇航局將利用太空中的當地材料稱為就地資源利用 (ISRU)。他們已經建立了一個ISRU 專案辦公室，並且正在對方法進行一些早期研究。ISRU 的名稱對某些決定美國宇航局預算的委員會成員來說更容易接受，而不是“太空採礦”，聽起來太像科幻小說。儘管如此，公共法 114-90 的第四章，也被稱為2015 年太空資源勘探與利用法為私人商業回收和擁有太空資源提供了條款。小行星的重力井可以忽略不計，到 2016 年初，已經在近地小行星 (NEA) 類別中發現了 14,000 多顆小行星。不同的小行星還具有多種有用的化學成分。這種組合導致了相對於其他太空地點而言，小行星採礦 受到最廣泛的關注，但任何具有可用材料和能量的地點都是候選地點。美國宇航局也正處於開發小行星重定向任務 的早期階段，該任務將從 NEA 中帶回一塊巨石到安全的月球軌道，以便以後對其進行詳細檢查。

推進劑和燃料

推進劑是在許多型別的推進系統中消耗和排出的材料。它們通常佔太空系統質量的很大一部分或主導部分。推進劑應用包括太空運輸、彈道運輸、空氣動力運輸、地面運輸和行動式電力。由於應用範圍廣、使用環境不同以及原材料來源不同，因此潛在推進劑種類繁多。本書第二部分討論了用於太空運輸的特定推進劑。其他應用列在下面。

燃料是在環境中與材料反應的能源，例如空氣呼吸發動機，或者在化學火箭的情況下與氧化劑反應。核燃料透過內部反應產生能量，不需要與另一種材料反應。對於高階用途，特別令人感興趣的是鈾或釷等裂變燃料，如果開發了聚變能，那麼用於這些反應的輕同位素。這是核反應釋放的能量相對於化學反應而言非常高的原因。

從當地資源生產推進劑和燃料被稱為就地推進劑生產。迄今為止，所有推進劑和燃料都是從地球上供應的。使用當地資源通常會更便宜。透過在行程中的間隔使用倉庫，減少了運輸的質量開銷。如果從一開始就運載所有推進劑質量，則更多推進劑必須進行速度變化。因此，您需要使用其中一部分來移動其餘部分的開銷。透過在間隔點進行補充，車載質量更小，因此移動它的任務開銷也更小。推進劑的供應來源靠近倉庫位置或位於倉庫位置，並且透過高效的電力推進進行運輸。因此，供應開銷也很低。

除了傳統的太空運輸外，其他推進劑和燃料應用還包括

彈道運輸 - 在未開發或佈滿隕石坑的地形上，試圖在地表行駛會很困難，而且長距離行駛速度會很慢。彈道運輸使用與太空運輸類似的方法，但不是往返軌道或軌道之間，而是用於亞軌道軌跡，從一個點到另一個點。較低的速度可能允許更簡單的推進或更高的有效載荷。這種方法在速度要求較低的小天體上特別有用。

空氣動力運輸 - 在具有足夠稠密大氣的天體上，您可以潛在地使用空氣動力升力或浮力以及推進發動機進行運輸，類似於我們在地球上使用飛機的方式。

地面運輸 - 太陽能壽命很長，在其使用壽命內產生的能量可以達到化學燃料的數千倍。但是，它的功率密度與面積之比並不高，這使得它在高速地面車輛中笨重，而且電池需要相當長的時間才能充電。作為替代方案，燃料電池或內燃機可以在緊湊的裝置中提供更多功率，並且更適合此類車輛。固定式加油站可以在車輛執行範圍內分佈時快速為車輛加油。

行動式電源 - 太陽能和/或電池適合不需要高功率水平的小型行動式裝置。短時間內更高的功率水平可以透過推進劑或燃料來源來滿足。

輻射遮蔽

在整個太陽系中存在著不同程度的輻射，包括地球。太空中的許多地方的輻射水平對人有害，或者會影響電子裝置和材料。自然太空輻射來自四個主要來源：宇宙射線、太陽風和等離子體事件、磁場中的俘獲粒子以及放射性元素的濃度。人為輻射可能來自核和其他高能裝置。遮蔽的有效性因成分而異，輕元素對於某些型別的輻射提供更好的保護，而重元素則提供更好的保護。在質量很重要的場合，最佳化的和經過處理的材料可能更適合遮蔽，但未經處理的散裝材料更容易供應。

棲息地、車輛和裝置可以透過自身質量來降低輻射水平，然後再新增額外的遮蔽。例如，具有厚壁、農業土壤、水和大氣的大型棲息地可能本身就能提供足夠的遮蔽。對於車輛或輕型棲息地，可以新增額外的遮蔽，如散裝推進劑、水和食品供應。大型天體的表面或地下通常具有足夠的本地材料來提供輻射遮蔽。使用它的方法包括在地下建造，或者透過在輻射敏感區域周圍和上方移動足夠的材料來進行表面建造。25 釐米或更厚的鬆散堆積未加工材料可以將人類的暴露量降低到合理水平（參見Miller 等人，2008 年）。在開放空間，在對散裝材料進行加工的地方，未加工的原材料、加工材料的堆場以及加工後的廢料（爐渣）都可以透過在棲息地和裝置周圍適當佈置來用於遮蔽。

礦石交付

礦石是指任何天然材料，其中包含足夠量的所需產品，使其經濟上可以開採。在地球上，原油、鐵礦石和碎石都是用於製造其他產品的礦石，就質量而言，它們是運輸量最大的。在太空中，散裝礦石及其產品也可能成為按質量計算的主要運輸專案。根據經濟性和技術水平，散裝礦石可以以其原始狀態運輸，也可以濃縮成所需的成分，稱為選礦，然後運輸濃縮物，或者就地加工成最終材料，然後交付到需要的地方。最終目的地可以是任何需要礦石或其產品的地方。以下是一些選定的例子

交付到地球 - 幾乎所有的人口和經濟活動都在地球上，在未來幾十年內將繼續如此。一個龐大且經濟發達的人口使用大量的物質資源。有些材料可能會變得稀缺，以至於從太空中獲取它們在經濟上是可行的。返還鉑族元素等高價值材料並不構成重大的運輸挑戰，因此我們將看看成本規模的另一端。

假設你想要將大量的鐵進口到地球，因為高品位鐵礦石供應有限，而 M 型小行星可以提供幾乎純淨的鐵鎳鈷合金，已經是金屬形態。最簡單的方法是將金屬小行星的碎片對準選定的地點，然後收集那些到達地面的碎片。這不需要任何加工。圖 1.10-1 展示了這種現象的自然例子。你可以在博物館的小行星收藏中找到其他倖存碎片的例子。非金屬爐渣和揮發物在再入過程中會燃燒殆盡。選擇一個大小，可能在 10-50 噸左右，這樣再入阻力會減慢它們的速度，而且你不會得到一個大隕石坑。地球上有很多地方人煙稀少，而且交通運輸便利。鋼鐵市場規模約為每年 15 億噸。挑戰在於以每公斤 1 美元或更低的成本將鋼鐵運送到地球。你可能需要重新定向並切割一顆 1 百萬噸（60 米）的金屬小行星或更多，但產量至少價值 10 億美元（100 萬噸鋼，每噸 1000 美元），這可能足以彌補高效運營的運營成本。

交付到太空地點 - 由於目前發射到軌道的成本很高，位於所需太空地點的材料價值遠超地球上的大多數材料。它需要從其自然發生的地方移動到需要的地方。地球的引力井需要大量的能量才能爬出，到目前為止，發射系統使用低效的火箭來完成這項工作。已經位於附近太空中的材料可以使用高效的電推進器進行運輸。在天體表面，一些材料可以就地獲得。往返於比地球小的天體的運輸可以使用機械和電力方法。一旦這些系統建立起來，它們都可能成為更便宜的解決方案。

奧爾特雲/流浪天體交付 - 在遙遠的未來，一次大型星際任務可能需要大量的推進劑和其他物資，因為旅程的速度很高，持續時間也很長。在這個概念中，幾個彗星或無束縛的流浪天體，或其一部分，被來自主飛行器，或從發射點提前傳送的推進裝置攔截。推進裝置消耗部分質量，將剩餘質量加速到主飛行器的速度。交付的質量用於進一步加速主飛行器並補充其他材料。這比從任務開始時就攜帶所有燃料可以實現稍快的速度，因為主飛行器需要加速的質量更小。為了使這行得通，你需要提前知道這些天體在哪裡，或者相信它們的密度足夠大，可以讓你在需要時沿著你的路徑找到它們。

工業能力

推進劑和輻射遮蔽等簡單的散裝材料很有用，但不能滿足所有未來的專案目標。太空製造是指在太空中利用原材料和可用能源生產更精煉或更復雜的產品。它與地球上的太空工業區分開來，在太空工業中，衛星和火箭等複雜產品是在地球上製造的，然後交付到太空中使用。從歷史上看，所有制造業的一個關鍵特徵是使用工具製造更多工具。當應用於太空製造時，可以從更小更簡單的初始裝置中發展出更大的工業能力。這避免了將整個工廠送入太空的成本。一個簡單的引導例子是利用金屬小行星材料製造壓力容器，然後用於礦石的化學處理。

一些生產將用於從經濟意義上講的最終產品。這些是最終產品，不會用於進一步生產。例如，一個軌道溫室，為太空中的個人生產食物。其餘的生產要麼是資本貨物，用於進一步生產的耐用品，要麼是中間產品，這是原材料和最終產品之間的半成品。當工業能力不僅僅是為了最終產品，並且一些資本貨物是在太空中製造的，而不是從地球上運送過來時，那麼生產和增長序列必須針對設計成本、增長時間表和從地球發射的初始質量等因素進行最佳化。

種子工廠

“種子工廠”是指一組旨在發展為成熟工業能力的初始裝置。這與植物種子類似，植物種子會生長成成熟的植物。工廠產出的一部分用於自身生長，其餘部分用於所需最終產品。NASA資助的對該概念的早期研究報告見：Freitas 和 Gilbreath 編。先進的太空任務自動化，NASA 會議出版物 2255，1982 年。計算機、自動化和通訊技術在 1980 年還不夠好，無法用於月球上的預期用途，因此 NASA 沒有進一步追求這個想法。該概念僅限於“複製”，即製作初始裝置的精確複製品，直到達到足夠的總能力。該研究還假設種子工廠 100% 自行製造零件，100% 自動化，並且只能在太空中使用。

目前的種子工廠概念包括其他兩種增長方法：“多元化”，即製造初始裝置中沒有的新物品，以及“擴充套件”，即製造不同於初始裝置的尺寸的物品。100% 自產、100% 自動化以及只在太空中使用的假設都被取消了。因此，種子工廠可能一開始只製造其自身產品的百分比，其餘部分從其他地方供應，並使用人員直接或透過遠端控制來完成一些任務。這極大地簡化了初始裝置的設計。隨著時間的推移，不斷增長的生產能力可以製造更多自己的物品，並且需要從外部供應的物品更少。利用當地能源和材料進行自我擴充套件生產的想法適用於任何地方，而不僅僅是在太空中。這是一個複雜的主題，這本維基百科是關於太空系統的，因此為此專門開始了一本單獨的書。

自我擴充套件生產可以在從地球發射的質量到最終產品以及你能執行的任務方面提供大量的槓桿作用。因此，我們認為這是一個重要的概念，並將廣泛引用它。由於太空地點的能量或物質資源不均勻，種子裝置及其製造的產品可能會分佈在一個貿易網路中，其中元件針對地點進行了最佳化。該網路將包括一些仍然從地球上供應的零件和材料。該網路的各個部分可能由不同的實體擁有和運營，從而形成一個自給自足的太空經濟。

製造的產品

一旦你建立了工業能力，你就會想要利用它來製造有用的產品。在太空中製造的產品種類和在地球上一樣多。在給定地點製造哪些產品取決於質量、生產複雜性和經濟價值。以下專案被建議用於相對容易的生產和顯著的質量節省

結構材料 - 各種結構材料可以利用太空中的本地材料製造，從而減少了必須從地球上運送的材料數量。一個例子是鐵鎳形狀，如柱子或板材，它們由金屬型小行星製成。另一個是鑄造或燒結岩石，由月球或火星表面材料或石質小行星製成。它們將用太陽能或微波爐熔化。第三個例子是來自各自本地來源的高強度碳纖維或玄武岩纖維。

金屬小行星的太陽帆 - 這是一種結構材料和運輸方式的結合。為了從太陽系內小行星中回收大量的材料，可以在金屬型小行星中發現的鐵鎳合金被軋製成薄片，然後用來製造太陽帆。如果你想要的是金屬本身，那麼它會自行航行到你想去的地方。如果你想要其他小行星材料，可以使用更大的帆面積作為貨物拖船。為了製造帆，你需要一個軋機 - 一種加熱材料的方法和一種在兩個滾筒之間強制使材料變薄的方法來製造薄板。

鐵鎳帆的缺點是與鋁鎂等輕合金相比，它們的質量更大，而且它們的反射率在自然狀態下較低。太陽帆在它們可以施加推力的方向上也有一定的限制。優點是原材料在小行星本身大量存在，並且不需要太多加工就能製成可用的形式。如果需要，可以新增鋁或鋁矽合金塗層來增加反射率。

玻璃 - 除了作為溫室窗戶的明顯用途外，玻璃還可以用於光纖電纜，以及惰性反應容器，包括那些將聚光陽光照射進去的容器。化學上最簡單的玻璃是熔融石英，它是純二氧化矽 (SiO₂)。矽和氧佔月球土壤的 60% 以上，佔石質小行星的 50% 左右，因此這些成分非常普遍。然而，它們通常與其他元素結合在矽酸鹽礦物中，需要化學或熱分離。

磚和混凝土 - 當空氣洩漏不是問題時，磚和混凝土可用於低強度建築，例如輻射遮蔽、隔熱罩和著陸墊。傳統磚是用加熱沙子和粘土的混合物製成的，直到顆粒部分熔化並粘合在一起，這個過程被稱為燒結。如果能找到足夠的熱源和合適的原料，可以在太空中以相同的方式製造建築構件。它的主要優點是簡單。混凝土是一種人造石材，由不同尺寸的碎石組成，稱為集料，以及一種將它們粘合在一起的粘合劑。在地球上，最常見的粘合劑是波特蘭水泥，它是由頁岩和石灰石混合而成，在高溫下加熱，然後研磨成細粉。許多其他粘合劑是可能的，其中一些在太空中有用。混凝土的用途基於它的相對低成本，以及在室溫下澆鑄成各種形狀，然後硬化的能力。

化學產品 - 這包括塑膠、化學試劑、潤滑劑以及許多其他透過化學加工製成的物品。月球岩石富含金屬氧化物，例如矽、鐵、鋁、鎂，有時還有鈦。這些金屬對於結構、太陽能電池和電子產品很有用。將氧化物轉化為金屬並分離元素的過程稱為溼法冶金。過程包括物理過程，例如破碎和研磨以分離礦物顆粒，以及磁選。它們還包括化學過程，例如液體溶液，使用高溫的熱過程，以及電解等電過程。化學溶液和電解需要合適的試劑。這些包括含有非金屬元素的化合物，例如鈣、鉀、鈉、磷和硫。這些元素可以在某些型別的小行星中找到。塑膠和潤滑劑通常是碳化合物，這些化合物也存在於小行星中。

生物產品 - 這當然包括食物，但也包括木材等非食物類物品，以及微生物的化學輸出。後者的最古老例子是酵母釀造的酒精，但現代生物技術可以生產各種各樣的物品。種植食物通常需要水、二氧化碳、含有氮、磷和鉀的肥料以及微量元素。一些小行星有水或含水礦物。月球缺乏這些物質，因為它是在熔融狀態下形成的，並且具有較低的逃逸速度，這些物質被烘烤出來並損失了。火星和金星的大氣層中含有高比例的二氧化碳，而火星擁有氮氣。小行星是肥料中元素和微量元素的來源。

能量

太空中的能量用途與地球上一樣普遍。太陽能電池板從一開始就被用在衛星上，因為它們是模組化的，重量輕，可靠，並且在使用壽命內產生的能量比電池或燃料電池多。功率水平從幾瓦到空間站上的約 100 千瓦不等。未來的能源需求包括更大的推進量，以及執行工業系統。棲息地、通訊和科學裝置可能是大量的能源消耗者，最終，一個主要的未來用途是將能量輸出到地球或太空中的其他位置。未來能源生產的型別包括

太陽能電力 - 這包括現有的光伏太陽能電池板，以及太陽能熱發電系統。後者將陽光集中到熱機/發電機組合上。太陽能通量在太陽系內部足夠，但在太陽系外部可以使用大型輕型反射器來提高功率密度。

太陽能熱能 - 一些未來用途需要熱量而不是電力，例如工業鑄造爐。聚光反射器可以很容易地實現這一點。使用區域性散裝質量的熱儲存可以彌合夜間電力需求。材料在白天被加熱，儲存的熱量用於在晚上執行發電機。這避免了在更高的電力需求下需要大型電池。

核源 - 與熱電發電機耦合的放射性同位素衰變熱量已在小型科學任務中用於太陽系外部，或者當行星表面上的白天陽光和電池不足時。許多使用熱電或熱離子發電機的小型反應堆已經飛行。對於未來應用，例如更高功率的推進或地面棲息地，人們提出了使用熱機發電機的反應堆，它們更有效。如果聚變反應堆得到發展，它們將在太空中非常有用，因為當你遠離太陽時，氫很豐富。

束能 - 地球上的文明對能量的需求越來越大，但化石燃料是不可持續的。近年來，地面太陽能電池板變得很受歡迎，但軌道位置平均每塊電池板可以提供七倍的能量。這是因為地面有夜晚、天氣和大氣吸收。大型太空太陽能發電廠可以透過有效的微波束將電力傳送到地面。軌道太陽能的優勢是幾乎 100% 的執行時間，以及沒有碳排放或核風險。一個缺點是地面集電器的大小受傳輸波長和軌道站距離的控制，因此它有一個最小尺寸才能有效地工作。這可以透過使用更短的波長或更低的軌道在一定程度上得到抵消。要對地球來說可行，整個系統（軌道和地面集電器）的成本需要比地球上的太陽能電池板低 7 倍，否則使用地面電池板會更便宜。替代用途是將電力從軌道束射到月球表面基地，以補充夜間電力。

在目前的發射成本下，透過交換髮射器和接收器的位置，將電力*向上*束射到太空在經濟上是有道理的，因為軌道上的電力比地面的電力更有價值。以可見光或微波的形式，這將補充從陽光獲得的機載電源。對於低空軌道拖船，這種補充特別有用，因為地球的陰影覆蓋了典型低軌道的 40%。

雷射電力傳輸是一個未來的可能性。光束生成效率較低，但由於波長較短，它可以更容易地聚焦在長距離上。用途範圍從從地面為發射載具供電，到使用太陽作為引力透鏡的星際任務。在存在合適的大氣層的情況下，例如像金星和火星一樣富含二氧化碳的大氣層，大氣層可以用作雷射介質來產生強大的光束。據知，這個概念尚未得到詳細探討。

工程環境

整個太空，以及地球上的許多地方，都有不適合人類或高等生命的條件。在地球上，我們應用各種工程和技術領域來改變特定地點的自然環境，例如建築物、船舶和飛機。常見的改變條件包括溫度、防風雨保護以及壓力（在飛機和潛艇的情況下）。在太空中，我們必須改變其他條件，例如大氣成分（或完全沒有大氣層）、長期停留的重力水平、輻射水平以及其他引數。在某些情況下，環境將為植物（高二氧化碳比率）或機器而不是人類而設定。迄今為止，工程太空環境包括在車輛中的短期旅行，即使在太空服中的時間更短，以及在空間站中長達一年和最多 6 人的時間。

未來的專案可能包括更大的人口和更長的停留時間，在太空中建造棲息地而不是發射已經建造的單元，以及生產和回收空氣、食物和水等基本需求。原因包括更長時間的探索和科學，商業和工業活動，以及在有趣和獨特的地方生活的願望。未來的太空環境專案包括

太空棲息地 - 人類在地球上進化，因此它是我們所知的唯一一個無需科技幫助就能生存的地方，即使是短時間內。地球上的一些地方，比如南極洲的大部分地區，即使沒有衣服，短時間內也會致命。自然界中的棲息地為特定物種提供生存的合適條件。人工棲息地，如房屋和溫室，是專門建造的設施，提供合適的條件。太空棲息地提供這些條件，但位於太空，而不是地球。它們與航天器和空間站的區別在於長期居住和規模。理論上，太空棲息地可以為一個人建造，但所需的技能和心理可能將下限設定在 6-8 人左右。另一方面，旋轉軌道棲息地的連線元件或緊密編隊，或大型非旋轉棲息地，可以支援行星規模的人口。表面棲息地可以從小型的加壓模組到永久基地和城市。在極限情況下，整個月球或行星可以轉變為宜居條件，這被稱為地球化。在很長一段時間內不需要支援行星規模的人口，因此目前大多數工作都集中在規模較小的方面。

由於人類和農業喜歡的環境引數相當狹窄，因此棲息地無論大小都具有相似的功能。這些功能包括

大氣維護 -
溫度控制 -
人工重力 -
照明 -
輻射水平 -
食物供應 -
水供應 -
廢物處理 -

人工棲息地的質量密度遠低於自然棲息地。例如，空間站每人使用大約 100 噸，而地球大約使用 5 萬億噸。因此，在太陽系中建造的棲息地可以支援更多的人口，為當前的人口水平提供更大的生活空間和能源使用，或者僅使用一小部分可用資源。

封閉式生命支援 - 所有包含人員的太空專案都需要某種生命支援系統。迄今為止，這些系統一直是“開放式”的，因為它們需要來自外部的氧氣和食物供應。“封閉式”系統迴圈利用部分或全部用於維持生命的材料，因此儲存或新交付的供應量可以減少。如果與當地提取所需材料相結合，外部供應可以完全消除。水、空氣和食物是主要的迴圈利用專案。封閉系統可以是人工的，使用機器和化學過程，也可以是生態的，使用生物。至少對於食物而言，人們更喜歡天然種植的物品，而植物自然會產生氧氣，因此這往往會導致大多數生態系統。封閉式生命支援系統可以與人類生活空間相結合，例如包含生活區和農場區域的棲息地穹頂。或者，溫室可以針對植物生長條件進行最佳化，包括高 CO₂ 水平，而人們則使用呼吸裝置和遙控。

棲息地建造 - 從地球發射涉及穿過大氣層，在那裡大型尺寸會增加阻力，而非常大的物體在機械上不適合安裝在直徑為幾米的運載火箭上。因此，空間站是由許多較小的預製元件在一段時間內組裝而成的。未來更大的專案可能使用多種軌道建造方法。摺疊式結構，如太陽能電池板，已經被廣泛使用了幾十年。為了容納大氣層，過去一直使用剛性壓力容器。充氣結構在發射時被摺疊，目前正在進行演示。未來，大型棲息地可以從以緊湊形式發射的元件組裝而成，或者在太空中就地製造。

迴圈利用的運載工具 - 傳統火箭將最後級以及有效載荷送入軌道。透過給最後級加油，或者將最後級油箱和結構改裝成其他用途（如有人居住的加壓模組），可以節省一些有效載荷重量和體積。例如，天空實驗室空間站是由改裝的土星 5 號第三級製成的。改裝可以在發射前進行，如天空實驗室的情況，可以安裝用於後期改裝的準備工作，如加註和連線後期硬體的連線，或者最後級可以完全不改動，所有改動都在軌道上進行。一些研究是在將太空梭外部油箱重新用於加壓生活空間或軌道製造的生鋁等用途，但這些研究沒有發展到實際專案。最後級的加註也已經過研究，但沒有經過測試。

運輸

太空運輸在到達軌道之前就開始了，以彈道導彈的形式。它今天仍然需要，用於交付新裝置和設施、貨物和原材料。迄今為止使用的主要運輸方式是化學火箭，既用於從地球發射，也用於太空任務。最近，使用運載飛機、離子電推進、氣動減速和引力彈弓的空氣呼吸推進也被使用。太陽帆、電動力和更高速度的空氣呼吸發動機處於實驗階段。本書第二部分更詳細地介紹了現有和未來的運輸方式。只要太空專案存在，這些方法將繼續需要。一些未來的運輸應用包括

消除危險 - 太空和地球上存在著人工和自然危險，運輸方法可以消除它們或將它們放置在安全軌道上。人工危險的型別包括來自舊衛星、空火箭級以及它們的碎片的太空碎片。在約 2000 公里高度以下，這種碎片的密度高於天然的小流星體。將核廢料和極度危險的生物材料從地球運輸到太空中的更安全地點已經過研究，但目前成本太高。碎片撞擊會損壞在軌衛星，而後者由於同樣的原因價格昂貴，因此消除碎片的經濟理由更充分。

已知小行星和彗星撞擊太陽系中各處的大型天體，包括地球。證據包括每個固態天體上的撞擊坑、一顆彗星撞擊木星，以及目前地球上的隕石墜落。未來的一個專案是改變正處於危險路徑上的小行星和彗星的軌道。人們一直在進行廣泛的搜尋，尋找靠近地球的天體，隨著用於此目的更好的望遠鏡的建造，它們的發現率正在增加。月球撞擊經常被忽視，但更多的質量可以從月球上丟擲，因為它更小，最終落入附近地球更大的引力場中。一塊 1 噸的月球碎片和一顆百萬噸級的小行星一樣能殺死你，但死亡的時間和空間分佈更為分散。移動或摧毀危險天體的技術還處於早期實驗階段。

長週期彗星在當前技術下，直到它們到達距太陽約 10 個天文單位的距離才能被探測到。如果一顆彗星正朝著地球飛來，則沒有時間安排改變它的軌道，因此唯一合理的處理方法是使用一個裝有一個或多個大型核彈的攔截器將其碎片化或摧毀。彗星軌跡很難預測，因為它們具有以氣體噴射的形式出現的氣體火箭推進器。未來的專案可能會將搜尋望遠鏡放置在更遠的地方，以便更早地發現這些彗星。它們還可能將攔截器放置在更遠的地方，進入太陽系，以便碎片有更多時間分散。如果有更多的時間，可以使用危險彗星本身的物質作為推進劑將其偏轉，或者可以偏轉另一個較小的天然天體使其與之相撞。

星際運輸器 - 將物體的描述傳輸到另一顆恆星的能量，即使是原子級別的，也比將物體從一顆恆星物理移動到另一顆恆星的能量低一百萬倍。在遙遠的未來，在第一個探測器在另一顆恆星上建立接收/複製站之後，其他物體更有效地被掃描、傳輸並在接收端重建。使用原子級技術（如掃描隧道顯微鏡），最終可能會以這種方式掃描和傳送人員。以光速旅行的主觀時間將為零，儘管實際傳輸時間仍然受光速支配。

科學與探索

1960 年代的太空競賽結束後，科學和探索成為地球軌道以外任務的主要動力。它們在近地軌道也一直是重要的動力，但不再是主要的動力。這些領域的大部分工作都由政府機構支付，因此它們的速度受到可用預算的限制。自阿波羅計劃以來，人類還沒有前往近地軌道以外的地方，但大量的太陽系探測器已經訪問了所有已知的行星，還有一些小行星和彗星，其中 5 個已經離開或正處於離開我們家園系統的軌道上。

長期以來，人們一直在討論未來人類對月球和火星的探索，但主要受限於資金不足。目前大型**太空發射系統**（SLS）火箭、低成本商業運載工具以及包括利用太空資源在內的更先進技術的開發正在改變這種狀況。由於資金有限，“月球 vs 火星”和“人類 vs 機器人”的爭議性論點阻礙了專案規劃。實際上，這些都是錯誤的選擇。憑藉更先進的技術，多個目的地可以負擔得起。機器人可以為人類鋪平道路並提供幫助。利用商業系統可以帶來規模經濟，這是政府預算無法單獨達到的。正確的方式是，科學和探索為未來的商業和工業活動鋪平道路，而商業和工業讓科學和探索更實惠。本書第 4 部分在綜合長期專案規劃的背景下討論了這兩種型別的專案。

目前規劃了許多天文儀器和行星際探測器，還有更多正在提出，但時間太久遠，還沒有獲得資金。除了地球低軌道之外，只有少數人類任務正在開發或詳細規劃階段。雖然技術工作正在進行，但尚未制定月球或火星任務的詳細計劃。

通訊

利用太空進行通訊已經發展成熟。截至 2014 年底，這是 1261 顆執行衛星中 52% 的主要用途。基本上所有其他衛星都具有某些通訊功能。如果成本降低，太空通訊的應用將在衛星寬頻等領域增加。由於與地面服務相比，成本更高，技術限制更大，因此目前這項技術的使用並不廣泛。未來一個大型低軌道衛星網路可以克服一些限制，並提供全球覆蓋。迄今為止，大多數衛星通訊都是透過微波無線電進行的。已經進行了一些雷射傳輸的實驗，雷射傳輸可以提供更高的頻寬，特別是對於地球軌道以外的位置。

**引力透鏡中繼** - 像恆星這樣的巨大物體可以透過引力彎曲光線。如果你從恆星上足夠遠的距離（對於太陽來說至少 550 個天文單位）旅行，光線就會到達焦點。未來的一個專案將利用恆星作為巨大的透鏡，將通訊聚焦到星際距離。為了實現最佳訊號中繼，你將在恆星對之間使用這樣的引力透鏡，並在傳遞到下一個恆星之前增強每個恆星上的訊號。這樣的網路可以連線整個銀河系，儘管光速給實際使用帶來了重大障礙。引力透鏡也可以用於天文學，這需要最少的努力，因為你只需要在太陽附近配備裝置，以及用於向遠距離航天器進行能量傳輸。後者比通訊需要更多的努力，因為功率水平要高得多。

娛樂

此類別包括**太空旅遊**、**零重力運動**和其他純粹為了娛樂的活動。地球上的旅遊業佔全球支出的約 3%，涉及每年超過 10 億的旅行抵達人數。有充分的理由相信，如果只是極端成本和重大風險降低，很多人會到太空旅行尋求娛樂。零重力下的觀賞性運動可能會比一般旅行更早出現，因為頂級運動員的收入已經與宇航員進入軌道的發射成本相當。比賽或獎項競賽也是有可能的，因為像**美洲盃**這樣的賽事已經吸引了鉅額預算，並涉及高科技。這樣的比賽也將在促進太空技術改進方面發揮積極作用，就像**谷歌月球 X 大獎**正在展示的那樣。

[待整合的註釋]

大型火箭方法的問題在於，進行下一次旅行與進行上一次旅行一樣困難。我們應該做的是建設基礎設施，使未來的旅行更容易。我目前偏愛的方案（可能會隨著新想法的出現而改變）是

在厄瓜多一座山峰上使用超高速炮，定期發射少量補給貨物，每次發射幾十到幾百公斤。使用機器人進行最初的組裝工作，在那裡建立一個載人基地站。人們隨後透過普通火箭到達。

在你的低軌道站，組裝 VASIMR 型等離子火箭，這些火箭可以飛往附近的隕石並返回其重量約 20 倍的隕石質量。選擇碳質隕石，並使用碳開始製造太空電梯纜繩。使用金屬成分擴充套件軌道基地。使用氧成分作為未來旅行的更多燃料。

旅行。你需要一些化學和金屬加工裝置來完成這項工作，透過你的炮將它們運送到太空。

隨著太空電梯纜繩的增長，使用等離子火箭逐漸提高軌道高度，直到它到達完整太空電梯的約 30%。這是目前我們可以製造的碳纖維的實際限制（如果我們以後學會製造更好的碳纖維，那就太好了，更新計劃並升級纖維）。30% 非常有用。將到達地球軌道的速度降低 30%，可重複使用的一級入軌飛行器變得相當容易製造。70% 的軌道速度意味著相對於標準火箭，動能降低了 50%。

太空電梯纜繩上端高於軌道速度的 30% 幾乎達到了逃逸速度（高於軌道速度的 41%）。因此，你幾乎能夠到達地球軌道以外的任何地方。從一開始，就是為了獲取更多隕石物質來擴充套件你的系統。

月球軌道速度是地球軌道速度的 21%。因此，如果我們能夠建造一個 30% 的地球太空電梯，我們就可以在月球上建造一個完整的太空電梯。現在我們可以以幾乎不消耗燃料的方式從月球起飛和降落。

由於我們已經知道如何利用當地材料製造棲息地和氧氣，並將 O2 用作燃料，因此我們可以將範圍擴充套件到所有附近的隕石和小行星以及月球。當我們到達火衛一和火衛二時，我們可以建造一條通往火星的太空電梯。哦，對了，火星軌道速度是地球的 45%，所以我們的太空電梯技術可以

負責降落速度的 2/3，其餘部分透過一些大氣制動和著陸噴氣機完成。在上升時，我們可以從火星大氣層（其 CO2）中獲得氧氣，只需要達到軌道速度的 1/3 就可以到達電梯，因此往返火星在各方面都比較容易。

不，不一定是非週期軌道，這需要不斷維護才能使其在兩端保持對齊。我指的是一種 18 個月的軌道，其近地點靠近地球。每隔兩年，你都有機會登上棲息地，搭乘它前往火星軌道附近。如果你將兩個棲息地置於同一軌道，相位差 180 度，你每年都有機會。棲息地並沒有閒置，它們正在從附近收集隕石物質並提取燃料，在溫室中種植食物，製造著陸器的結構部件，等等。因此，當機組人員前往火星時，他們在途中會取貨。

軌道的遠地點足夠靠近火星，不需要巨大的 ΔV 來追趕，如果你在棲息地補充燃料，普通的火箭方程公式就不像從地球獨自前往那樣適用。你只需要設定棲息地，使始終有一個棲息地靠近合適的位置以迎接地球，然後在火星附近放下你。這需要多個近地點位於地球路徑不同位置的棲息地。

一個開發計劃概念

IDEF0 流程建模

"建造合作社" 用於製造房屋和其他物品

開源硬體和遙控機器人

超音速和炮彈發射，

組裝機器人，

萊奧站，

等離子推進器，Vex = 50,000 m/s F=ma=dm x v

小型近地小行星，

候選者：1992 UY4、2001 SK162、2001 PM9

隕石的鐵成分平均為 90% 的 Fe、9.5% 的 Ni、0.65% 的 Co

提取用於等離子燃料的氧氣

電梯

在 1 g 和 2400 m/s 的頂端速度下，r = v^2/a = 588 km，p = 1540 s

月球，

愛神星 + 穀神星，

火衛二

火星及更遠