第 4.7c 節 - 太空港網路

太空電梯自 1895 年以來一直是一種理論上的運輸方式。最初的想法不切實際。這一步增加了一種更實用的設計，作為從一個軌道快速有效地進入另一個軌道的交通樞紐。最初的建設可以使用來自地球的材料，但在更大的尺寸或地球軌道以外的位置，假定使用當地材料。

天鉤概念

太空電梯的流行概念基於齊奧爾科夫斯基在 19 世紀末提出的原始設計。它涉及一個單一的塔/纜索，一直延伸到地球同步軌道 (24 小時) 地球軌道 (GEO) 之外。如果質量中心位於 GEO 並且與地球的每日自轉相匹配，它將看起來相對於地面靜止不動。理論上，到達太空就變成了乘坐電梯。這種簡化的設計存在一些問題

• 地球重力井的深度 (6378 g-km) 超過最佳可用材料的標度長度 (碳纖維為 350 km) 18 倍，這需要結構與有效載荷質量比為 6500 萬比 1。這將需要比世界製造的更多的碳纖維來提升合理的貨物質量，並且永遠不會經濟，因為它需要花費太長時間來運輸足夠的有效載荷來證明這種大量結構的鉅額成本是合理的。

• 它對將貨物運送到低軌道毫無用處。在 GEO 以下的釋放點會導致近地點低的橢圓軌道，但無法到達更低的圓形軌道。當部分建造時，它也無法從地面運送貨物。

• 即使以 300 公里/小時的速度執行的磁懸浮電梯轎廂，也需要 5 天才能將一個有效載荷運送到 GEO，並且一次只能運送一個有效載荷。

• 一條單根纜索在被自然或人為碎片擊中時會災難性地失效。一條超過 35,000 公里的纜索有很多區域暴露在這樣的撞擊中。

天鉤 概念解決了所有這些問題。它不是一個固定在固定位置的靜止纜索，而是一個在移動軌道上旋轉的纜索，就像一個想象中的車輪的兩個輻條圍繞赤道滾動，或者一個在移動軌道上保持相對於母體垂直方向的非旋轉纜索。

• 非旋轉的軌道天鉤是行星表面到地球同步軌道太空電梯的短得多版本，它沒有延伸到母體的表面，質量要輕得多，可以用現有的材料和技術經濟地建造，並且在其成熟形式中，其成本與人們認為使用太空電梯可以實現的實際成本具有競爭力。它的工作原理是從相對較低的軌道高度開始，向下垂下一根纜索到地球大氣層之上。由於纜索的低端以低於其高度的軌道速度移動，因此飛往天鉤底部的發射器可以比它自己承載更大的有效載荷。當纜索足夠長時，使用可重複使用的發射器進行單級到天鉤的飛行成為可能，而且價格幾乎任何人都能負擔得起。

• 一個全軌道速度旋轉的天鉤將結構要求降低到大約 2868 g-km，因為只有頂端承受地球的全部重力。中心處於軌道狀態，因此加速度載荷為零。這立即將理論質量比從 6500 萬比 1 降低到 3620 比 1。質量與頂端速度之間仍然存在指數關係。由於傳統火箭的質量與速度之間也存在指數關係，因此將工作分配到兩者之間是有意義的，因為兩個指數的總和，例如 e^2 + e^2 = 14.8 小於單個指數的組合功率，即 e^4 = 54.6。天鉤和來自地球的車輛之間工作的最佳分配將取決於技術細節和成本，但簡單地將一半分配給每個結果將導致理論天鉤質量比為 60 比 1。真正的設計將更重，但 60 比 1 是一個可行的起點，而 6500 萬則不是。對於具有多次飛行壽命的單級火箭，達到一半的軌道速度是完全可行的。

• 假設頂端位於 1 個重力，一個旋轉天鉤的頂端速度為軌道速度的 30%-50%，其半徑為 500-1400 公里。中心點需要位於該高度加上足夠的高度，以使頂端不會陷入濃密的大氣層併產生阻力 (100-200 公里)。從天鉤中心 600-1600 公里高度釋放，可以進入近地軌道。

• 部分建造的天鉤仍然可以正常工作，因為剩餘的速度由地球車輛提供。在建造過程中，速度分配更多地傾向於地球車輛。這會降低有效載荷質量，但它仍然可以交付一些。特別是，如果您的有效載荷的一部分是更多的天鉤結構，那麼該有效載荷將在以後的航行中透過增加的有效載荷來支付自身成本。這是“透過自己的皮帶提升自己”的字面意義上的版本。

• 相同速度的快速電梯轎廂以 300 公里/小時的速度可以在 2 到 5.3 小時內到達中心。如果您的目的地是高軌道或地球逃逸，您根本不需要乘坐電梯。您可以等待天鉤旋轉半圈，然後放開，此時您將以軌道速度加上頂端速度前進。為了想象這一點，想想腳踏車輪的頂點。它相對於地面移動的速度比中心快。半圈只需要 10 到 20 分鐘。

• 太空碎片無法消除。即使所有在地球軌道上的航天器碎片都被消除，流星的自然流量也會繼續。因此，天鉤的設計必須考慮到這一點。最實用的方法是使用多個冗餘纜索來分配載荷，以便切斷一兩根纜索不會造成災難性後果。這些纜索應該間隔足夠遠，以便任何單個物體只會撞擊一兩根。這些纜索也應該定期交叉連線，以分配斷裂周圍的載荷。然後，修復斷裂就變成了更換一根纜索的短段。由於您有能力在原始建造過程中安裝段，因此您可以將段替換為維護工作。

天鉤應用

月球和火星的重力井比地球小，分別是 22 和 5 的比率，因此使用相同材料的天鉤可以完成與地球相比更多的運輸工作。但在這種逐步組合系統示例中，首先要離開地球。我們將在本文中討論其他位置，但實際建設將推遲到需要輕鬆運輸到這些位置為止。

月球天鉤

由於月球的重力井很小，因此有兩個系統是可行的。第一個是彈射系統，用於從月球上發射散裝材料。彈射器使用由電機驅動的旋轉纜索，將有效載荷直接拋入月球軌道，然後由收集系統接收。第二個是軌道天鉤，它可以在靠近表面的零速度處卸貨和接收貨物。

彈射器 - 玄武岩纖維 類似於玻璃纖維，它們是一種擠出的礦物質。它們的強度為 4800 兆帕，或碳纖維的 80%，密度為 2.7 克/立方厘米，或碳的 50%。因此，玄武岩纖維的標度長度為 178 公里，大約是碳纖維的一半。月球的黑暗區域（瑪麗亞或海）被玄武岩熔岩覆蓋，所以存在著非常豐富的原材料供應。如果月球彈射器將玄武岩送往軌道加工廠，或將已在月球上紡成的纖維線軸送到軌道加工廠，那麼就可以用當地材料建造月球天鉤。月球玄武岩作為天鉤的選擇必須與從地球運來的或由近地天體碳製成的更高效能碳纖維進行比較。當然，對於月球表面建設來說，它的優勢在於它非常本地化。

彈射器也可以在地球或火星上建造，但在地球上，需要將其放置在高塔上，高於大氣層，才能獲得顯著的速度。與其他方案相比，這可能不是最好的方法。火星要小得多，大氣層也更稀薄，還有非常高的火山，可以將彈射器放置在那裡。因此，值得考慮在那裡放置彈射器，將物資送入軌道。任何彈射器（月球或其他）都需要一個強大的電機供電。為了避免在停止裝載下一個貨物時浪費旋轉能量，考慮使用兩個彈射器，其中一個用作發電機，為另一個彈射器供電是有意義的。電機-發電機效率可以超過 90%，因此大部分能量可以回收。

天鉤 - 月球的重力井在 1.0 地球重力下等於 287 公里。因此，即使對於強度較低的玄武岩纖維來說，重力井也只有 178 公里尺度長度的 1.6 倍。對於強度更高的碳纖維，其尺度長度為 361 公里，比例為 0.80。請注意，尺度長度是基於抗拉強度，實際設計將使用較低的載荷，並在裸纜之上留有餘量。對於地球來說，理論重力井與碳纖維尺度長度之比為 18，因此相對來說，建造月球天鉤要容易得多。換句話說，月球軌道速度為 1680 米/秒，小於下面假設的地球天鉤的 2400 米/秒的尖端速度。這提供了月球表面和軌道之間的全部速度，而地球軌道版本只提供了 1/3。由於逃逸速度是圓形軌道速度的 1.414 倍，而完整的月球天鉤能夠以 2.0 倍的軌道速度釋放貨物，因此它可以處理遠超逃逸速度的貨物。透過攀爬到距中心某個半徑的位置，並控制釋放時間，可以獲得各種不同的軌道。

除了將其用作往返月球的運輸工具之外，工作組還有機會在 1.0 重力下將天鉤用作休息地點，因為我們不知道 0.16 重力對人體的長期影響。月球表面的另一種選擇是使用離心機獲得 1.0 重力或所需的任何重力水平。完整的月球天鉤的半徑為 283 公里，在 1.0 重力下，旋轉週期為 17 分 40 秒。由於月球軌道週期為 108 分鐘或更長，具體取決於高度，因此天鉤每軌道將旋轉 6 次或更多次。如果軌道是赤道軌道，這將使它能夠為月球赤道周圍的多個位置提供服務，並在這些點之間以軌道速度免費運輸貨物。

赤道軌道是否最佳是一個懸而未決的問題。極地軌道將使天鉤能夠到達月球表面的任何地方，但通常每月只到達兩次。月球的自轉非常緩慢，因此自轉對軌道速度的貢獻只有 4.6 米/秒，佔地球貢獻的 1%。極地軌道可以安排為太陽同步軌道，軌道平面始終處於陽光照射下，而赤道軌道大約 40% 的時間處於陰影中。因此，為天鉤供電的太陽能電池陣列在極地軌道上更有效。你可以讓兩個天鉤繞月球軌道執行，只要你安排它們的軌道永遠不會相交，例如，使用不同的高度。在這種情況下，你可能希望使尖端的重力加速度更高，從而使半徑更小，並將人員快速沿著纜繩移動到更舒適的重力水平。

在任何月球天鉤中，著陸器都需要一些推進系統，因為月球不是完美的球體。因此，尖端需要保持足夠高，以避免任何地形的高點，並且需要進行一些機動以實現準確的著陸。如果你在不同的高度有兩個天鉤，那麼車輛將需要更多的燃料才能著陸和起飛。

小行星天鉤

最大的小行星，1 穀神星，赤道半徑為 487 公里，一天長度（自轉週期）為 9.074 小時。因此，赤道以 94 米/秒的速度移動。軌道速度估計為 360 米/秒。當黎明號宇宙飛船在 2015 年到達穀神星時（它在 2012 年至今一直在圍繞第二大小行星灶神星軌道執行），將找到確切的數字。因此，天鉤只需要 266 米/秒的差值才能著陸和拾取貨物，然後以超過逃逸速度的速度將它們丟擲。在這種情況下，1 g 處的半徑為 7.25 公里。這足夠小，可以在地球附近建造，然後整體運輸到穀神星。將其置於軌道上將使人們能夠輕鬆地進入最大的小行星進行開採。同步空間電梯將更長，並且不能提供 1 重力的環境，但可以用於將貨物發射到遠離穀神星的轉移軌道或捕獲進入的貨物。

對於小型小行星來說，天鉤並非表面訪問所必需。即使是效率低下的化學火箭也不需要太多燃料來著陸，你也可以用機械方式將東西拋入軌道或逃逸。

火星天鉤

帕沃尼斯山是火星上的一座大山。由於它位於赤道，因此是某種運輸系統的理想地點。候選方案包括月球上的離心發射器或線性加速器。火星的質量更大，使其比月球更難，但地面運輸系統仍然可以完成大部分或全部工作，以達到軌道速度。同樣，火星軌道速度為 3.6 公里/秒，在天鉤的範圍內，並且有兩個方便的前小行星（火衛一和火衛二）作為建造材料的來源。火星天鉤很可能被放置在火星低軌道上，能夠轉移到地面以及火衛一、火衛二或逃逸軌道。

分離系統

彈射器可以與天鉤結合使用，以實現更高的速度任務，同時降低總質量比。像月球一樣小的天體不需要很大的質量比才能進入軌道，因此分離系統在額外的複雜性成本下不會獲得太多收益。相反，地球擁有相當稠密的大氣層，因此高速離心機將受到很大的阻力，除非放置在非常高的結構上。分離系統的最佳位置是火星，特別是其高聳的山峰，其山峰頂部幾乎處於真空狀態。透過將速度分配到兩個系統之間，每個系統可以達到 1.8 公里/秒，這可以透過現有的材料和保守的質量比來實現。

設計引數

地球軌道天鉤沒有固定的設計，如上所述，而是隨著時間的推移而增長。我們目前還不知道在給定情況下最佳尺寸是什麼。然而，一個具體的例子使我們能夠檢查可行性並瞭解各個部分所需的條件。在本例中，我們將假設尖端速度為 2400 米/秒，大約是軌道速度的 1/3，並推匯出其他特性。

設計輸入

尖端速度 = 2400 米/秒

尖端加速度 = 10 米/秒^2 - 地球表面重力為 9.80665 米/秒^2。為了簡單起見，我們使用 10。這為天鉤上的任何人類提供了正常的重力。

推導值

天鉤半徑 = 576 公里 - 這是透過求解離心加速度公式 (a = v^2/r) 來找到半徑。

旋轉週期 = 25 分鐘 - 我們知道圓周長為 2 x pi x r，在本例中為 3619 公里。用尖端速度除以它就可以得到時間。為了方便從發射場到達天鉤，可以調整這些數字，使週期為軌道時間的偶數分數，即 100 分鐘的軌道時間，旋轉時間為 25 分鐘。這樣，著陸平臺每次相對於發射場的位置都相同。

軌道高度 = 750 公里 - 如果天鉤的尖端深入地球大氣層，就會造成阻力和熱量，最終導致天鉤墜落。透過將尖端放置在至少 175 公里的高度，那麼中心必須比它加上半徑的高度高。確切的高度將是減少阻力與易於從地面到達之間的權衡。

軌道速度 = 7474 米/秒 - 從下面的公式中得出，其中 G 是萬有引力常數，M 是地球的質量，r 是軌道半徑，即地球半徑加上軌道高度

$v_{o}\approx {\sqrt {\frac {GM}{r}}}$

發射載具有效載荷 = 13% - 一枚優秀的化學火箭的噴射速度為 4.5 公里/秒，空重為 10%。如果沒有天鉤，所需的總速度約為 9 公里/秒，這將導致有效載荷分數為 3.5%。減去天鉤提供的 2.4 公里/秒，有效載荷將達到 13%，或提高 3.7 倍。確切的數字將根據發射載具的設計而有所不同，但這說明了天鉤可以提供的有效載荷改進，以及建造它的部分原因。天鉤最大的優勢不是它帶來的有效載荷增加，而是利用部分增量來提高車輛的疲勞壽命，而疲勞壽命是非線性關係，通常在結構增加 10% 時提高十倍。飛機和火箭的建造成本每公斤大約相同。這並不奇怪，因為它們都是由航空航天公司用相同的材料建造的。運輸成本的巨大差異是由於飛機在使用壽命期間大約飛行 20,000 次，而火箭通常只飛行一次。透過將天鉤帶來的部分有效載荷增量應用於賦予發射載具較長的使用壽命，執行成本將大大降低。

投資回收期 = 1 到 76 次發射（平均 43 次） - 如果我們去除最後 100 米/秒的尖端速度，發射載具的有效載荷將從 13.07% 降至 12.56%。因此，最後 100 米/秒的增量效益是車輛質量的 0.51%。假設我們使用 東麗 T1000G 碳纖維作為我們的主要纜索材料。它的抗拉強度為 6370 兆帕，密度為 1.8 克/立方厘米。我們允許在裸纖維之上增加 40% 的重量，用於完成的纜索系統，以及 2.0 的安全係數。因此，工作強度降低到 2275 兆帕，在 10 米/秒 的尖端加速度下，工作長度變為 126.4 公里。

2400 米/秒 的天鉤半徑為 576 公里，加速度從中心的 0 變化到尖端的 10 米/秒，因此有效長度為一半，即 288 公里。然後纜索質量比為 e ^ (288/126.4) = 9.762:1。減去有效載荷質量，理論纜索質量為 8.762。由於此計算僅針對天鉤的一臂，我們將其加倍至 17.524。天鉤的有效載荷是發射載具的有效載荷 + 無燃料的空車結構（發射重量的 10%），總共為發射重量的 23.07%。然後，天鉤纜索質量是發射載具重量的 404.3%。對 2300 米/秒 的天鉤進行相同的計算，我們得到半徑為 529 公里，有效長度為 264.5 公里，質量比為 8.106，纜索質量為車輛到達質量的 16.211 倍，即 22.56% = 365.7%。然後，纜索增量質量為 404.3 - 365.7 = 38.6%。由於我們從這個增量新增到天鉤中獲得了 0.51% 的有效載荷，如果我們使用發射載具來運送額外的纜索，它將透過有效載荷質量在 76 次發射中收回成本。如果我們從其他來源獲得額外的纜索，例如我們的超高速槍或近地小行星碳，投資回收可能更快。

對整個天鉤進行相同型別的計算，我們發現有效載荷從 3.5% 增加到 13%，即起飛質量的 9.5%。天鉤纜索質量是起飛質量的 404.3%，因此有效載荷增加的投資回收期為 43 次發射。天鉤的前 300 米/秒 增量將有效載荷從 3.53% 增加到 4.46%，增幅為起飛質量的 0.93%。它的半徑將為 9 公里，纜索質量是到達質量的 7.25% 倍，即發射質量的 0.98%。因此，投資回收期為 1 次發射，纜索大致相當於其交付飛行有效載荷的 1/4。因此，天鉤的第一部分具有立即的投資回報，並且非常理想。請注意，質量小於到達質量的天鉤將沒有足夠的軌道能量來賦予到達的車輛。它需要連線到更大的“壓載”質量，例如組裝平臺、批次開採的材料或收集的空間碎片。

質量投資回收與成本投資回收並不相同，但如果我們現在假設它們是相同的，在每月一次發射的相對較低的速率下，投資回收大約需要 3.6 年，從經濟角度來看是合理的。由於纜索質量隨尖端速度呈指數增長，早期部分的投資回收速度更快，而以固定發射速率進行的增長將需要更長時間。真正的投資回收分析必須考慮到實際成本而不是質量比，以及實際發射速率。如果從地球開發出更便宜的發射系統，那麼即使有效載荷質量增加保持不變，天鉤的成本效益也會下降。另一方面，如果流量增加，成本效益也會增加。無論使用什麼數字，天鉤質量隨尖端速度的指數增長最終會出於經濟原因限制其尺寸。那是當製造更大的天鉤的增量成本超過增量有效載荷增加的價值時。我們強調，然而，隨著新材料的出現、纜索輸送方法的變化以及流量的變化，該限制可能會隨著時間的推移而改變。天鉤/發射載具互動作用很好地說明了為什麼必須將組合系統作為一個整體進行研究，而不是作為單一技術或方法。

設計元件

結構

天鉤的主要結構部件將是拉伸股。此外，還將有輔助結構來固定這些股，以及用於著陸平臺、推進系統、棲息地和其他附著在結構上的物品。纜索不是穩定的結構，除非它們處於張力狀態，因此對於天鉤的中心部分，在開始旋轉之前，我們假設一個核心剛性桁架結構。初始總半徑為 2500 米，包括核心和纜索。這允許在 100 秒的旋轉週期內在尖端獲得 1.0 重力加速度。後一個數字的選擇是為了讓人類不會因快速旋轉而迷失方向。初始棲息地將放置在 2500 米半徑處。纜索縱向安裝和並行安裝以擴充套件天鉤。

容錯設計 - 人造衛星和軌道碎片是結構最大的撞擊危險。目前，我們假設不清理地球軌道，儘管這是可取的。這樣做將使風險降低大約十倍。如果我們假設在股線芯周圍有一個 0.5 毫米的保護套，那麼小於該厚度一半的物體只會形成一個彈坑，而不會穿透芯部。如果我們假設一個大型天鉤在 1.0 重力下支撐 1000 噸的有效載荷，質量比為 8:1，那麼總負載為 10 兆牛頓。鑑於 2275 兆帕 的工作強度，這需要 44 平方釐米 的總纜索面積。假設每股線直徑為 2 釐米。那麼我們需要 14 根承重股線，以及一些用於容錯的額外股線，我們現在使用 7 根，總共 21 根股線。

任何大於股線直徑 1/3 的碎片物體都可能造成足夠的損壞，使其失效。根據 1995 年的軌道碎片評估，大約有 100 萬個大小相同的物體。這會產生大約 10 ^ -4 每平方米每年 的撞擊通量。如果我們希望每年的股線失效機率為 1%，那麼我們允許 100 平方米的面積。由於假設直徑為 2 釐米，因此允許的長度為 5000 米。我們以該間隔放置橫向連線環以將負載分配到失效的股線周圍。在每個環處，有 7 個點，每個點有 3 根股線擴充套件開來。由於設計上需要兩根才能承受負載，因此第三根因碎片撞擊而失效不會導致天鉤總承載能力的降低。

我們不希望單個物體一次影響太多條纜索。在最壞的情況下，除了天鉤之外，軌道上最大的物體，目前是空間站，不應撞擊超過我們 7 條備用纜索。實際上，99% 的破壞性碎片小於 30 釐米，而且空間站處於主動控制之下，因此它永遠不會撞擊天鉤，但我們正在考慮最壞的情況。由於空間站大約 120 米寬，如果纜索排列成圓形，並且共有 21 條，那麼一個 120 米的物體不應與圓周的 120 度以上相交。做一些簡單的幾何計算，可得 120 米 = 半徑的 50%，因此圓的直徑約為 480 米，7 個連線點相隔約 200 米。一個桁架跨越每個連線點，形成一個 7 邊形環。如果某條纜索損壞，則只需用天鉤最初建造時所用的相同方法進行更換即可。只要纜索的更換速度至少與損壞速度一樣快，天鉤就可以無限期地維護下去。

以上計算僅為示例。對於真正的設計，您需要找到最佳的纜索直徑和數量，而不是僅僅假設 2 釐米和 21 條。實際的碎片群並不都處於可能與天鉤相交的軌道上。例如，空間站的高度約為 400 公里，只有當它處於垂直位置時，才能與天鉤的底部 225 公里相交。可能會進行一些清理軌道碎片的努力。但即使沒有，我們也可以設計出一個合理的設計，能夠承受最壞情況下的損壞，並將預期損壞降至每年 1% 的維護工作。

著陸平臺 - 它的功能有點像航空母艦的甲板，它是一個移動平臺，車輛可以在上面起降。我們在上面假設天鉤結構可以承受 1000 噸的載荷。這包括除了主體結構之外的所有東西，包括著陸平臺。到達的車輛將會有更小的質量，暫時加到載荷上。與緩慢進行的零重力對接不同，著陸平臺以 1 個重力旋轉，因此著陸速度將類似於在地球上著陸。平臺的大小將取決於車輛導航的精度。設計可以是水平平臺，也可以是類似於鎖釦或阻攔索的東西，比如航空母艦上使用的。在這種情況下，天鉤這個名字就成了一個字面上的描述。另一種方法是使用垂直捕捉網。它的寬度和高度都足夠大，可以成為一個很好的目標。車輛在它前面部署了冗餘的捕捉鎖，並且以稍快的速度到達，因此它撞擊到網上，並捕捉到多條纜索。

假設著陸將是自動化的，用於無人貨物運輸，並配備雷達、雷射雷達和其他輔助裝置，使車輛能夠進入著陸目標區域。著陸平臺的大小是導航精度的一倍，以確保車輛有很高的機率擊中目標。最佳設計是一個懸而未決的問題，但由於在地球上已經多次解決了以 1 個重力著陸的問題，因此對於這項任務來說也是可以解決的。

在交付完貨物後，車輛只需在合適的時間鬆開或被推離平臺即可。在最低點，平臺是亞軌道的，因此車輛將自動再入大氣層。車輛相對於赤道的速度將為 4600 米/秒，而沒有天鉤的火箭再入大氣層的速度為 7400 米/秒。因此，車輛必須消散 39% 的動能，這使得隔熱罩的設計變得容易得多。

低重力平臺 - 低重力或零重力對於太空中的某些任務來說是可取的。您可以在天鉤中心的特定距離處放置平臺或加壓艙，並獲得從 0 到 1 個重力之間的任何值。對於真正的零重力，您需要使結構反轉，使其不再隨著天鉤的其餘部分一起旋轉。這可能是一個沿旋轉軸延伸的結構，就像車輪的軸一樣，天鉤纜索將是車輪的輻條。

電力推進

由於能量守恆的基本原理，向上運輸的有效載荷比向下運輸的有效載荷多，會導致天鉤失去軌道能量，最終如果沒有進行糾正，就會再入大氣層。我們使用在早期階段開發的高效電力推進器來維持軌道。實際上，電力推進器替代了發射運載火箭上效率較低的化學火箭發動機。電力推進發動機的推力太低，無法自行到達軌道，但透過將其連線到天鉤，我們可以逐漸增加軌道能量，然後在短時間內將其傳遞給有效載荷。天鉤成為一個非常高效的軌道能量儲存電池，其能量密度約為地球上鋰電池的 25 倍。

功率要求 - 對於我們送入軌道的每公斤有效載荷，我們將速度從 5074 米/秒改變為 7474 米/秒。這需要增加 15 兆焦耳的能量。由於一年有 3150 萬秒，這意味著對於每公斤/年的有效載荷，我們需要 0.477 瓦的軌道能量。在地球軌道上，我們並非始終處於陽光照射下，因此太陽能電池板需要更大，才能平均達到這個功率水平，而且電力推進器也不是 100% 效率。使用合理的數字，即 60% 的陽光時間和 65% 的推進器效率，我們可以得到太陽能電池板需要的峰值輸出為 1.22 瓦/公斤/年。如果我們想要每年運送 1000 噸，那麼電源需要 1.22 兆瓦。出於政治和安全原因，靠近地球的核能已被排除在考慮範圍之外。現有的太陽能電池板，考慮到 100% 的開銷，其質量為 1.68 公斤/平方米，效率為 29.5%，而太陽常數為 1360 瓦/平方米。因此，它們產生的輸出功率為 238 瓦/公斤，其質量為 5.1 噸。

推進器型別 - 對於近地軌道，有三種類型可透過短期技術獲得：離子、等離子體或電動力。電動力消耗的“燃料”更少，但發展程度不及前兩者。離子推進器發展成熟，但無法擴充套件到高功率水平。我們將假設使用等離子體推進器，但應該繼續開發電動力推進器，並將這三種類型都視為候選者。目前正在開發的等離子體推進器設計為 200 千瓦的連續功率，因此天鉤設計需要 6 個裝置加上一些備用裝置。推進器的估計質量為 3 噸。

燃料需求 - 每年交付 1000 噸貨物，並增加 2.4 公里/秒的速度，我們需要以 50 公里/秒的速度噴射 48 噸/年的推進劑來維持天鉤軌道。這可以與貨物一起運送，作為 4.8% 的開銷，或者如果從附近的小行星中提取材料，則可以來自小行星。後者更可取，因為它對發射運載火箭來說更有效率。

設計問題

太空環境

輻射環境

等離子體環境 - 電離層會導致電荷積累。

[待整合的文字]

多個較小的軌道系統，稱為旋轉器，可以執行大多數相同任務，並使用現有材料。每個旋轉器都有一個較小的任務，因此所需的材料強度較低。我們還利用軌道力學在它們之間進行過渡，這完全不需要任何材料。已經對各種太空電梯概念進行了理論化，並在太空中進行了小規模實驗。需要進行大量的研發才能使這項技術進入準備就緒狀態。當交通量不大，而且大部分交通量限制在低軌道時，太空電梯的節省不足以證明其建設的合理性。因此，我們將其放在這個子階段，在這個階段，到達高軌道會使它們具有更大的優勢。電梯研究可以與可變重力研究設施相結合，因為兩者都可以使用旋轉結構。最終的天鉤網路可以為人員和貨物提供繞重力井快速改變速度的功能，而電力牽引機可以執行它們之間以及前往現有網路之外的新地點的較慢轉移。

天鉤

以旋轉天鉤形式存在的太空電梯系統將允許使用高效的電力推進器來代替低效能的化學火箭，完成重力井中或軌道之間的大部分運輸工作。第一個天鉤可以建在近地軌道上，然後在更高的軌道上以及其他天體周圍建造其他天鉤。地球的重力井太深，目前無法用現有材料完全跨越，因此近地軌道天鉤不是一個完整的從地面到軌道的電梯。儘管如此，將發射運載火箭的工作量減少 30%-50% 仍將帶來巨大的成本降低。對於月球或火星等較小的天體，天鉤可以跨越整個重力井。

作為一項大型運輸基礎設施專案，類似於地球上的橋樑或機場，天鉤是在交通量需求時才建造，而不是提前建造，然後逐步擴充套件。天鉤的材料，如碳纖維，可能來自軌道採礦和加工。在這種情況下，它們的建設將不需要從地球發射大量的物質。即使所有物質都必須從地球運來，改進的有效載荷的潛力至少證明了進行更多分析的必要性，以確定它是否可行。