第 2.1 節 - 結構方法

我們從結構類別開始回顧太空運輸方法。最早的倖存人工結構出現在 23,000 年前，以Theopetra 洞穴入口處粗糙的石牆的形式出現。這堵牆可能是為了阻擋冷風而建造的，因為當時接近最後一次冰河期。創世紀 9:3 中提到了“頂端觸及天堂的塔”，儘管第一千年的公元前燒磚、石頭和焦油技術還無法勝任這項任務。直到 20 世紀後期，像碳纖維這樣的結構材料才變得可用，這些材料足夠堅固以執行有用的太空運輸功能。結構只需要建造一次，但可以多次使用。因此，每次使用的成本隨著使用次數的增加和結構壽命的延長而下降。這與迄今為止使用的主要太空運輸方法——一次性火箭——的經濟狀況截然不同。

一般結構

為了太空運輸的目的，我們想知道結構材料本身有多有用，而不是作為具有其他推進系統的車輛的一部分。為了找出這一點，我們可以從材料的特性中推匯出效能指標。然後，我們將這些指標與從地表到達軌道或改變軌道的運輸工作進行比較。這些指標相對於天體的重力井或軌道速度而言。

重力井

從概念上講，重力井與側面陡峭的水井有關，如果你發現自己身處底部，你需要爬出來，需要能量才能出來。對於大型天體，重力井的“深度”可以用天體表面重力乘以半徑來表示，單位為 m²/sec²。可以認為，在恆定表面重力下爬到表面以上一個半徑的高度與在實際的平方反比重力隨距離減小的情況下爬到無窮遠處的功量相同。對於地球，即 6,378,000 米，9.80665 米/秒^s（標準表面重力）或 62,547,000 米²/秒²。這是從物理學部分中的勢能和萬有引力公式推匯出來的。

勢能公式為 $-GMm/r$ ，其中 G 為萬有引力常數，M 為大型天體的質量，m 為感興趣物體的質量，r 為大型天體的半徑。由於萬有引力 g 為 $GMm/r^{2}$ ，因此勢能可以表示為 $-gr$ 。由於通常 $F=ma$ ，將 g 除以物體質量得到每單位質量的勢能為 $-ar$ ，其中 a 為表面重力加速度，r 為半徑。這對於計算來說是一種方便的形式，因為大型天體的表面重力和半徑通常都是已知的。

這種重力井深度的推導假設了一個非旋轉的、均勻的、球形的物體。真實的天體在不同程度上偏離了這些假設。透過對簡單公式的修正，可以確定真實天體上任何點的“深度”，前提是修正量很小。對於快速旋轉或形狀不規則的天體，可能需要對重力場進行數值積分。

尺度長度

在一般物理學中，尺度高度 H 是一個量變化e（2.718...）倍的距離。它最常用於描述大氣壓隨海拔高度因重力而變化的情況。氣體因重力而產生的壓強變化也會發生在固體中。因此，為了結構工程的目的，我們也可以計算出柱子的尺度高度或纜索的長度。一根具有恆定水平（橫截面）面積的垂直柱子或纜索的質量 m 為

m=DAh

其中 D 為密度，單位為 kg/m³，A 為橫截面積，單位為平方米，h 為高度，單位為米。由其自身重量產生的底部（對於柱子）或頂部（對於纜索）的壓力，可以透過常用的 F = ma 公式找到，其中加速度 a 在這種情況下是由於重力引起的區域性加速度。用面積 A 除以得到每單位面積的力或壓力 P 為

P=DAha/A=Dha

材料的抗拉強度或抗壓強度 S 也具有力/面積的單位。將它們等同起來並解出 h，然後得到材料在失效之前可以承受的最大高度或長度 H 為

S=Dha

變為

H(scale)=h=S/Da

一根較高的等寬柱或更長的等寬纜會超過材料的強度，因此會坍塌或斷裂。結構極限可能來自除重力之外的其他原因，例如離心加速度。因此，我們稱一般情況為 **尺度長度**，因為它並不總是由於高度引起的。例如，普通鋼材的強度為 275 兆帕，密度為 7800 千克/立方米，地球表面的重力為 9.81 米/平方秒，因此尺度長度為 3600 米。一根非常堅固的碳纖維/環氧樹脂複合材料柱的強度為 1300 兆帕，密度為 1650 千克/立方米，因此尺度長度為 80 公里。由於地球的半徑和等效重力井深度為 6378 公里，因此這種材料的重力井與尺度長度之比為 80:1。

尺度長度是一個理論值，就像材料失效時的極限抗拉強度一樣。實際設計總是使用低於該值的值，以便載荷遠低於失效點。我們可以將 **工作長度** 定義為尺度長度除以設計 **安全係數**，FS。這是一個失效時的極限應力與設計應力之比。它基於對材料失效方式的經驗和深入理解。所選的值旨在將失效機率降低到針對特定目的的可接受水平。**安全裕度**，MS，是安全係數減 1。它代表結構能夠承受的超出預期載荷所產生的應力量。這兩個安全值都旨在考慮已知和未知的載荷變化，以及結構元件的實際強度與其理論設計強度之間的差異。例如，空間結構可能因撞擊損壞或暴露在太空環境中而退化，不再像預期的那樣堅固。

高效設計

等面積柱或纜對於小型結構來說設計和計算很簡單，但對於大型結構來說不是高效的設計。這是因為載荷僅在大型結構的一端達到最大值 - 對柱來說是底部，對懸掛纜來說是頂部。恆定應力設計而不是恆定面積設計可以透過充分利用材料的安全應力極限來最大限度地利用材料。因此，橫截面積必須根據區域性載荷而變化。這樣可以最大限度地減輕重量和成本，因為您只在任何點使用所需的結構。例如，摩天大樓的支撐柱在底部通常更大更厚，因為它們支撐著整個建築物及其內容物，而在頂層附近，它們支撐著上面的重量要少得多。

對於一個支撐質量位於頂部的柱，在頂部以下的每個部分都必須支撐該重量加上該點以上柱子的部分。因此，柱子必須在向下移動時支撐越來越大的載荷，並且需要更大的面積來保持單位面積應力相同。類似地，對於一個底部有質量的纜，纜上的每個點都支撐著該質量，加上該點以下的所有纜。因此，纜的橫截面積應隨著向上移動而增加以支撐增加的質量。柱和纜的增加量為 1/(工作長度) 每米，因為工作長度表示應力因結構本身而增加 100% 的距離。分數增加基於支撐質量 + 結構質量之和。每米載荷的恆定分數增加導致指數錐度，按 e (2.718...) 因子變化每個工作長度。換句話說，橫截面 **面積比**，AR，其中 h 是總長度，是

AR={\frac {A(bottom)}{A(top)}}=e^{h/(H(scale)/FS)}

理論上，面積增長沒有限制，您可以繼續使結構在底部或頂部變厚。因此，理論上您可以用任何材料建造任何高度或長度的結構。實際上，真實材料的面積指數增長意味著結構質量和成本的類似增長。在某個點，設計變得無法建造。該點在哪裡取決於結構的用途。對於像地球這樣的大天體來說，可行性尤其重要，因為重力井與工作長度之比很高。如果您嘗試用單個結構跨越整個重力井，這會導致面積比公式中出現很大的指數。

尖端速度

一些大型結構涉及圍繞中心的旋轉，而不是在一個重力井中垂直排列。這仍然會導致錐形設計，但載入力來自離心加速度而不是重力。旋轉物體上任何半徑處的離心加速度的一般公式是

a=v^{2}/r

其中 v 是速度，r 是到中心的距離。每次旋轉週期所行進的距離為 $2\pi r$ ，因此尖端和中心之間任何點的速度與 r 成正比。因此，任何點的加速度都隨半徑線性變化，並且整個半徑上的平均加速度是尖端加速度的一半。與垂直結構相同型別的恆定應力設計會導致旋轉結構從中心到尖端逐漸變細。我們沒有垂直結構沿長度的近乎恆定的重力，而是在旋轉結構中具有強烈的變化加速度。當旋轉結構靠近大天體時，除了離心力之外，我們還有重力。隨著結構旋轉，重力的方向和強度將相對於旋轉的離心加速度而變化。如果結構還在軌道上，它也具有軌道運動的離心加速度，這可以很大程度上抵消重力帶來的離心加速度。

由給定材料製成的旋轉結構將從中心到尖端的不同加速度積累應力。由於加速度從中心的零線性增長，平均值為尖端加速度的一半。當 a(tip) x r(tip) x 0.5 等於工作長度時，我們與在恆定重力下垂直結構的累積應力相同。尖端的速度，v(tip) 然後成為材料的特徵值。我們可以將一個尺度應力下的特徵尖端速度與它執行或靠近的行星或天體的軌道速度進行比較。這為我們提供了一個衡量旋轉結構在該位置有用性的指標。例如，如果尖端速度 = 軌道速度，您可以在地表建造一個機械裝置將有效載荷拋入軌道，或者如果尖端速度抵消軌道速度，則以零地面速度從軌道下降。與垂直結構一樣，您可以建造旋轉速度快於其特徵速度的裝置，但代價是增加錐度係數，從而相對於支撐載荷或有效載荷增加質量。對於像地球這樣的大天體，需要較大的錐度係數才能匹配軌道速度，但可以使用較低的尖端速度建造有用的設計。

材料屬性

有大量已知材料，每種材料都有其自己的結構特性，並且定期開發新的材料。 **材料科學** 是一個涉及理解、開發和應用材料的領域。這是一個成熟的學科，可以透過教科書、手冊和線上課程進行探索，例如來自麻省理工學院的 **材料科學與工程系**。

圖 2.1-1 展示了一些地球上常用的材料，以及一些可用於需要高強度的太空專案的材料。強度並不是材料選擇中唯一重要的屬性。在進行詳細設計時，應全面搜尋可用材料，並考慮所有相關屬性，然後再做出最終選擇。真實的結構設計將包含安全係數，該係數未包含在本表中，並且還將包含連線配件和塗層等專案的結構開銷。開銷可以被視為需要承受的額外載荷或材料有效強度的降低。

最強的材料是纖維，它們在拉伸方面很強。為了將它們用於壓縮結構，必須將它們嵌入其他材料的基體中以賦予它們穩定性。否則它們會像線一樣彎曲。例如碳/環氧樹脂，它將碳纖維封裝在環氧樹脂基體中。典型的面積比例為 60% 纖維和 40% 基體。環氧樹脂本身作為塑膠相對較強，但大部分強度來自纖維。我們沒有列出碳奈米管纖維或金剛石等單晶固體，因為我們還沒有辦法以足夠大的塊狀或數量生產它們，以用於大型太空專案。它們具有非凡的強度，但在它們能夠大規模生產之前，它們還不能用於大型結構。

A. 靜態結構

結構方法分為兩大類，靜態和動態。動態結構將在下一節中討論。靜態結構的各個部分在彼此之間的關係中基本固定。整個結構可能相對於地面移動，例如國際空間站的主桁架。大型結構的設計主要受強度與密度之比，即比強度的支配。該比例透過除以區域性加速度轉換為尺度長度。大型結構的其他重要屬性包括剛度、效能的溫度依賴性以及對周圍環境腐蝕的抵抗力。

通常需要某種方法來穿越結構的高度或長度。這些方法包括：傳統電梯（不需要進一步解釋）、增量絞車、線性電機或軌道，以及流體傳輸

增量絞車 - 與傳統電梯一起使用的懸掛電纜跨越整個高層建築的高度，最終會複製主支撐結構的載荷，並且會非常龐大。增量絞車配備了一個小型電機驅動的滑車，該滑車在沿著結構向上爬升時會拉動一段電纜。電纜從電梯隔間的卷軸上展開。然後，滑車將電纜鉤到結構上某個合理距離處的固定點。在此期間，貨運電梯保持連線到結構的下一個較低點。然後，電梯像絞車一樣捲動卷軸，將其從一個連線點拉到下一個連線點。透過這種方法，電纜的長度和質量保持在相對較低的水平。電梯轎廂需要絞車的動力。這可以透過連線到主結構的軌道或電線、連線到電梯隔間的太陽能電池板或其他電源，或者從外部來源進行無線電力傳輸來實現。

線性驅動器 - 這種驅動器使用牽引力或磁力而不是電纜來攀爬結構。牽引力將使用摩擦壓力作用於軌道或電纜，或使用齒輪驅動器作用於線性齒輪軌道。磁力將使用充當電動機的線圈，但線圈不是以圓形排列併產生旋轉，而是以直線排列併產生線性運動，就像普通電機一樣。磁懸浮列車（MagLev）就是以這種方式工作的。與絞車一樣，它需要一個電源，例如電線或導電軌道。

流體傳輸 - 而不是移動電梯隔間，可以使用管道進行更大的體積傳輸。波音公司前工程師 Dana Andrews 博士建議將月球表面產生的氧氣輸送到月球空間電梯上的月球 L2 點。在 L2 上 0.1 個大氣壓和 1000 K 溫度（可以使用太陽能加熱管道使氣體保持熱量）的氧氣柱，在底部將具有 2310 個大氣壓（234 MPa）的壓力。因此，單個加壓管道部分對設計施加了沉重的負載。更好的方法是在電梯上隔開一定距離安裝抽水站，以使每個站的壓力上升保持在較低水平。管道還可以用作氣動系統，用於除了氣體之外還運輸貨物。重力井的深度將決定這種方法的實用性。

無論使用哪種方法，將質量提升到與重力或離心加速度相反的方向都需要能量，根據勢能變化 = mah，其中 m 是質量，a 是你提升所抵抗的加速度，h 是高度。例如，一臺 2000 公斤的客運電梯在地球重力下以每秒 10 米的速度向上爬升，需要 2000 x 10 x 9.81 = 196,200 瓦的功率。

1. 塔

其他名稱： 空間塔、巨型結構

型別： 透過機械牽引獲得的勢能

描述

塔是自支撐的壓縮結構，其主要目的不是居住。當主要目的是容納人員時，我們稱之為高層建築或摩天大樓。埃菲爾鐵塔 可能是最著名的例子，但它們也常被用作發射塔，例如w:東京晴空塔（圖 2.1-2）。正如上面示例材料效能表中所述，先進的航空航天材料的尺度長度可達數公里，因此可以建造這種尺度範圍內的塔。此類塔可以被用作高海拔天文臺、推進式車輛的發射臺或加速器系統的支撐結構。

設計 - 從理論上講，可以建造無限高度的塔。但是，在一定高度時，底面積以及總結構重量和成本的指數級增長使它變得不切實際。例如，讓我們假設結構安全係數為 2.5，並且發射塔被多次使用。那麼塔的質量可能被限制在頂部火箭和裝置質量的 100 倍。那麼，地球上的碳纖維/環氧樹脂塔的高度將被限制在大約 150 公里。

在真實的結構中，除了結構本身之外，你所支撐的載荷（質量）可能不會全部都在頂部。然後設計計算必須考慮載荷是如何沿著高度分佈的。此外，在地球上大約最下面的 20 公里處，必須考慮風荷載、積冰和其他環境影響。在 20 公里以上，紫外線和原子氧會攻擊某些結構材料。這在低海拔時通常不是問題，因此你需要為結構提供一層保護層，或者選擇不同的材料。

一座大型塔通常會建成桁架結構，就像東京晴空塔的例子一樣。桁架中垂直構件之間的空間賦予它穩定性，但它不必是實體結構才能支撐大多數合理的太空相關載荷。如果在桁架構件的長度方向上施加過大的載荷，它們會彎曲 - 想象一下按壓吸管或義大利麵的兩端。剛度或彈性模量 是材料對這種彎曲的抵抗力。為了最大限度地利用材料強度，設計通常使其屈曲（彎曲導致的失效）和壓潰（直接載荷導致的失效）同時發生。對於高強度材料，這會導致單個構件的長度大約是其最小橫截面的 20 倍。這也導致整個塔的高度大約是其底座寬度的 20 倍。這些只是通用值，真實的比率將由實際設計條件的結構分析確定。

建造 - 這些型別的塔可以“自上而下”建造，以避免在真空中進行人工建造。在這個過程中，塔的頂端部分在地面組裝。然後，液壓千斤頂將塔向上提升一個段的長度。然後，下一個較低的段被安裝在頂部段的下方。重複逐步提升過程以完成整個塔的高度，因此所有建造工作都在地面附近進行。需要特殊的錨固措施來穩定塔，以便以這種方式建造。由於塔通常是錐形的，因此錨定質量、千斤頂和組裝起重機必須隨著塔的生長逐漸向外移動。如果使用遙控機器人進行建造，那麼可以採用自下而上的標準建造方法。風荷載在 20 公里以下的海拔高度尤為重要，因為大氣壓與風速的乘積會導致最大的動壓。為了減少這些風荷載，可以將結構構件封閉在可旋轉的翼型中，與圓形或三角形支柱相比，翼型具有更低的阻力系數。

現狀

目前最高的人造地面結構是位於迪拜的哈里發塔，高達 830 米（2723 英尺或 0.51 英里）。最高獨立式結構是張力腿平臺，從海底到地表平臺頂部的高度為 1580 米（5200 英尺）。正在建造的最高建築是位於沙烏地阿拉伯同名城市吉達的吉達塔。據估計，建成後將高達 1000 米（0.63 英里）。一些更大的高層建築和結構 已經提出，但尚未開始建造。土木工程和建築是高度發達的領域。存在適用於數公里高的塔的材料，儘管它們可能需要在建造技術方面取得進步。目前，這類塔的經濟性更具限制性。

變體

1a 無纜塔 - 這種型別從其底部自支撐，就像一棵松樹。像樹一樣，此類塔可能需要一個龐大的地下結構來分散重量和傾覆力，例如風力。底部直徑通常為高度的 5-10%，以防止彎曲。在塔的較低部分，風荷載可能要求底部比僅依靠屈曲來確定其必要寬度的上部部分更寬。這種方法假設塔上的大部分荷載是垂直的，例如電梯上下移動塔的高度。碳-環氧樹脂材料在壓縮時可以承受高達 700 兆帕的壓力。正在開發的最大火箭的質量約為 255 萬公斤。如果我們以火箭發射平臺之類的示例用途為例，允許總共 1000 萬公斤的重量放在塔頂，則荷載約為 100 兆牛 (MN)。然後，這種荷載可以由 1/7 平方米截面的碳-環氧樹脂柱支撐。這遠小於約 2500 平方米的最小發射平臺尺寸。因此，這些柱可以是空心管，並且這些管在開放式桁架（圖 2.1-2）中彼此間隔開。垂直結構元素之間的空間可用於其他目的。

1b 纜索桅杆 - 桅杆是透過斜撐（如繩索或鋼絲）穩定的結構，就像帆船的索具。斜撐可以更好地抵抗側向力，例如風力。由於天線本身並不重，因此這種方法通常用於電視和廣播塔，因此主要荷載是輕型塔結構上的風力。一個非常高的結構可以在風力顯著的較低 20 公里處結合斜撐，並在上部部分自支撐。

1c 塔系列 - 用於人員和易碎貨物的電磁加速器可能長達數百公里，其上端高出數公里，以避免空氣阻力和熱量，形成一個長斜坡。要支撐該裝置，您可以使用一系列高度不斷增加的塔作為支撐，並在它們之間使用類似於懸索橋的連線結構。

1d 可充氣塔 - 許多材料在拉伸方面比在壓縮方面更強，因此像ThothX 塔這樣的概念已被提出，使用內部氣壓將結構置於拉伸狀態並支撐荷載。

參考資料

Krinker, M., 太空塔新概念、想法和創新的綜述, 2010。

2. 太空電梯

其他名稱： 天鉤、豆莖、雅各布天梯、太空橋、地球同步塔、軌道繫留

型別： 透過機械牽引獲得的勢能

描述

1895 年，航天先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基受到最近建成的埃菲爾鐵塔的啟發。他設想建造一座通往地球同步軌道的塔，該軌道的軌道週期與地球的每日自轉相匹配。我們現在將任何類似的概念稱為太空電梯，因為您可以使用電梯而不是火箭進入太空。由於頂部與區域性軌道速度匹配，您可以簡單地放手，然後進入軌道。齊奧爾科夫斯基的概念更像是一個思想實驗，而不是一個實用的設計，因為在 1895 年，不存在任何接近所需強度的材料。

該概念的更現代版本（圖 2.1-3）假設一根拉伸的纜索而不是一座塔。這是因為像 PAN 衍生的碳纖維這樣的纖維目前是強度最高的可用塊狀材料，而建造太空電梯需要大量的塊狀材料。電梯低於靜止軌道的那部分受到的重力大於離心加速度，如果不受支撐就會掉下來。因此，該版本需要一個高於該軌道的配重，在那裡離心加速度大於重力，然後該配重向上拉動連線的纜索。這種版本的太空電梯通常在流行插圖中使用，但 21 世紀初的材料仍然不夠堅固，無法使這種尺寸的電梯實用。然而，具有較短纜索的較小版本可以實現可行的設計。我們可以稱這些為分階段電梯，因為它們只提供部分速度來達到軌道，與多級火箭的級數意義相同。需要不同的運輸方式或多個電梯級才能完成到達軌道的全部工作。

如果分階段電梯沒有連線到地面，它們就不需要以 24 小時軌道為中心，也不需要以與地球相同的速率旋轉，從而產生一整類可能的結構。它們可以位於任何需要的軌道上，並且從地面上看它們似乎在運動。對於比地球小的天體，完整的電梯更可行，因為較小的重力阱可以用現有的塊狀材料跨越。如果未來的材料強度比目前的碳纖維強 3 倍左右，那麼原始的單級電梯將在結構材料方面變得可行。它仍然是一個非常大的建設專案，並且還需要克服其他技術挑戰。電梯的旋轉狀態可以是垂直的，從慣性空間看，它每軌道旋轉一次；擺動，它相對於垂直方向變化一定角度，但相對於地面沒有完全旋轉；或旋轉，它相對於地面旋轉。旋轉方向可以是向前的，即與繞行星的軌道方向相同，也可以是向後的，即相反方向。通常它應該是向前的，因為這會導致底部相對於地面的速度更低，而頂部相對於地面的速度更高，以注入轉移軌道或逃逸軌道。

對於任何型別的太空電梯，該結構在其設計壽命內都可以使用多次。因此，建造成本將除以使用次數。結構越大，效能越好，成本就越高。當將維護和運營成本新增到建造成本中時，對於給定的交通量，將存在一個最佳尺寸和成本。質量和成本隨著尺寸和效能呈指數增長，而每使用一次的建造成本僅以使用次數的倒數下降。因此，在某一點上，由於多次使用帶來的成本降低會被更大的結構不斷增加的質量和成本所抵消，無論使用多少次。因此，經濟是限制大型太空電梯的一個因素。

重力和應力 - 在塔需要抵抗重力在物體固體表面上產生的壓縮力的地方，太空電梯需要抵抗其各個部分之間重力差異或其自身旋轉產生的拉伸力。結構元件可以儲存和傳遞動量和勢能到車輛或貨物，並支援遠離結構質心或在旋轉下的物體。軌道上的結構會自然地垂直排列（圖 2.1-4，右），因為重力隨著距離的平方而減小。因此，垂直纜索的下端相對於中心的勢能比上端相對於中心的勢能低。然後，垂直纜索的總能量小於水平纜索的總能量，因此它傾向於進入這種狀態。重力的差異（也稱為潮汐）提供拉伸力以保持結構伸展。

分階段電梯可以建造到材料使用的實際限制的任何尺寸。在零長度的下限，太空電梯簡化為軌道上的一個簡單物體。對於中間長度和垂直方向，底部的速度是中心的軌道速度乘以底部/中心距離 r 從天體中心。這僅僅反映了中心和底部在相同軌道時間內行進的長度為 2πr 的軌道。如果您旋轉整個纜索，使底部相對於中心沿軌道方向相反地移動（圖 2.1-4，左），則底部的速度可以進一步降低。然後，頂點相對於中心的最高旋轉速度受結構的質量和成本的制約，隨著您使它更強大，這些因素呈指數增長。對於地球和目前的塊狀材料，用旋轉抵消所有軌道速度是不切實際的，但可以抵消大約一半。在較小的天體上，整個速度可以透過旋轉來抵消，因此底部相對於天體表面暫時靜止。

底部相對於表面的剩餘速度必須透過其他方式提供。當物體旋轉時，例如地球，剩餘的一部分可以透過這種方式提供。在我們星球的情況下，赤道旋轉速度為 465 米/秒，或軌道速度的 5.88%。電梯或地球的自轉不能提供的軌道速度的大約一半，比需要提供全部軌道速度是一個很大的改進。像化學火箭這樣的運輸系統的建造難度也與速度呈非線性關係。例如，如果它能夠以 3.5% 的發射質量作為有效載荷完成整個工作，那麼如果它只需要做一半，那麼它可以將有效載荷增加到 27%，增加了 7.7 倍。透過使用火箭 + 電梯作為兩級系統，較小的質量指數之和小於每個指數本身，因此使用兩者完成整個工作的總成本和難度比使用其中任何一個完成整個工作都低。

火箭級不會完全進入軌道。它暫時停靠在纜索的頂端，只有貨物使用電梯進一步移動。這比火箭級硬體必須一直行駛到軌道所需的總能量更少。電梯纜索充當動量庫來儲存軌道動能，可以將其傳遞給有效載荷。動能可以透過執行電動推進系統來儲存，電動推進系統的效率遠高於傳統火箭。使用電梯級可以降低到達軌道的總體難度，並且如果設計得當，可以降低總體成本。材料強度與密度之比是設計這些型別的運輸系統的關鍵標準。它們的質量與強度高度非線性，因為將強度提高一倍會使它們的質量比的指數部分減少一半。

結構動力學: - 影響太空電梯設計的力隨時間變化，因此它們是動態力而不是靜力。這包括到達和離開的車輛、沿結構內部的貨物移動、擴充套件電纜（如果使用）的部署、軌道維護和旋轉的推力、橢圓軌道或電梯旋轉時的變化重力、來自太陽、月球或行星衛星的變化潮汐力以及在軌道執行時進出陰影的熱應力。電梯設計可以像桁架一樣，具有足夠的抗壓結構元件，以抵禦這些變化的力。它們也可以像纜索一樣，主要依靠拉伸元件，並且允許結構隨著施加的力彎曲，或者可以是兩者的混合。可以透過減震器/彈簧組合或沿結構的推進器來應用主動阻尼以抑制振動。動態力的設計類似於懸索橋的設計問題，懸索橋必須承受自身重量的靜力和車輛交通和變化風力的動態力。在這兩種情況下，設計都不得在結構的任何一點上超過安全工作應力，無論是在任何力的組合下。

由於典型的細長比（長度與最大寬度之比）很高，以及上述變化的力，結構動力學將很複雜，需要良好的理論理解，並且可能需要計算機模擬。另一個複雜之處在於，與在地面建造的摩天大樓不同，摩天大樓是在空曠的狀態下建造的，然後在完工後才載入，並且通常不會在之後更改，而太空電梯可能在執行時隨著時間推移而增長。這很可能是因為大型電梯可以透過減少發射系統的功來幫助自身建造，並且可以透過儘快投入執行來幫助抵消其成本。因此，不是分析完工的建築物，然後檢查施工載荷是否超過設計載荷，而是在不斷變化的尺寸範圍內對不斷增長的電梯進行分析。

維護與維修 - 太空電梯與地球上的大型結構一樣，會受到環境降解和偶爾的突然損壞。這些包括原子氧、靜電放電、太陽紫外線和高能粒子、俘獲輻射帶、來自自然流星體和人造軌道碎片的撞擊以及意外車輛碰撞或加壓系統故障。為了實現長期執行壽命和安全執行，太空電梯必須針對所有這些原因進行設計，並制定維護和維修計劃。在發生災難性損壞的情況下，設計應最大限度地減少對人員和財產的風險。

現狀

地球上的電梯最早可以追溯到公元前236年的阿基米德。現代安全電梯是由伊萊莎·奧蒂斯於1852年引入的，他公司的後裔至今仍然是垂直運輸的最大製造商。繩索和纜索長期以來一直在地球上用於提升貨物和穩定高聳的結構，如船桅和發射塔。太空電梯指的是完整的運輸單元。太空繫繩指的是太空中的纜索，它有很多可能的用途，其中之一是太空電梯的結構元件。一些太空繫繩任務已經作為實驗進行過，但還沒有作為運營運輸系統。迄今為止，太空中最大的剛性結構是國際空間站的整合桁架結構，其長度為108.5米。地球上更高的結構尚待經濟原因進行建造，它們尚未達到可用材料的極限。太空電梯需要足夠的流量到類似的軌道，以證明其建造的合理性。截至2016年，有相當一部分流量到達同步軌道，但不足以證明建造同步軌道電梯系統的合理性。

有人提出在地球軌道上建立一個可變重力研究設施，以研究部分重力對人和植物生長的影響。這樣的部分重力水平存在於月球和火星上，目前尚不清楚在長期任務中需要多少重力水平才能保證健康和植物生長。這樣的設施將包括大型空間結構，以產生人工重力，也可以作為繫繩動力學和執行的測試平臺。它將是朝著建造運營太空電梯系統所需的知識邁出的第一步。

變體

2a 軌道垂直電梯 - 這是最常見的太空電梯概念。在較小的版本中，纜索透過潮汐力保持垂直，在較大的版本中，透過足夠長的纜索或平衡錘穿過地球靜止軌道來施加到地球靜止軌道以下部分的張力。質量隨重力井深度的增加呈指數增長。因此，從地面向上建造的抗壓塔與從上方連線的纜索相遇，會導致總質量更低，因為它將結構任務分解成兩個更小的指數。儘管如此，目前的材料不足以在地球上建造完整的垂直電梯。它們適合月球或火星等更小的天體。

2b 動量傳遞彈弓 - 如果將有效載荷從垂直電梯的末端釋放，則其軌道另一端的改變將是初始距離電梯質心 7 倍左右。這是因為在連線時，有效載荷被迫以不同於自由物體在該高度的運動速度移動。一旦釋放，它就會遵循由其釋放速度定義的自由軌道。這種變化透過新增部分旋轉和纜索的動態延伸來增加軌道變化。

垂直纜索的一種變化是軌道彈弓。這將利用長物體由於“潮汐”效應而傾向於繞質心從水平方向自動旋轉到垂直方向。一個相對輕便的車輛，以傳統方式發射，將與一個更大質量的“軌道動量庫”（主要由每次發射後留在庫中的廢棄火箭級組成）對接，並連線到一個纜索卷軸上。該車輛將被推到一個稍微更高的軌道上，在那裡它會落後於動量庫，同時以匹配的速度放出纜索。在放出足夠的繫繩後，它將被剎車到停止，使其處於張力狀態。動量庫將減速並向內落下，而車輛將加速並向外落下。它將在所需的方位和速度下被釋放，以轉移到更高的軌道。與“電梯”系統不同，繫繩不必足夠長以連續到達最終軌道，因為車輛將被“彈射”向外，距離纜索長度的 14 倍。

動量庫在此機動中會失去速度，但可以使用高效的太陽能電力發動機（等離子體、離子或磁性）在較長的時間內恢復損失。可以使用多個動量庫串聯來實現更高的軌道或更大的最終速度。如果動量庫使用橢圓軌道（對於火箭發射的車輛來說，更容易攔截），則可能透過在遠地點彈射將物體插入近圓形軌道。車輛也可以在動量庫中加註燃料，因為空火箭級已經具有可以重複使用的推進劑罐。彈弓方法具有中等尺寸和速度容量。

2c 軌道旋轉天鉤 - 這是大約 1980 年提出的一個想法，其中一根纜索透過足夠高的旋轉速度保持張力。在較小的天體上，纜索的末端可以足夠低以抓住貨物並將其提升到軌道，通常使用天鉤這個名稱。對於地球，由於需要很高的尖端速度和質量，達到那個高度很困難。相反，從地面上來的車輛會提供足夠的速度以滿足較慢旋轉的尖端。這個版本通常被稱為動量交換系繩或旋耕機（旋轉電梯）。交換的動量是在車輛/貨物和電梯系統之間進行的。同樣，發射車輛和天鉤的質量比都隨速度呈指數變化，因此將任務分成兩部分可以降低整體難度。

2d 大氣電梯 - 在這種概念中，飛機或氣球/飛艇使用纜索將物體提升到一定高度，然後透過其他方法繼續進入軌道。對於飛機，這可以是一根簡單的牽引纜索，其中一輛車輛拉動另一輛車輛，或者是一根動態抓取並加速車輛的纜索系統，可能將車輛拋到比飛機飛得更高的位置。它需要對牽引飛機進行較少的修改，並且不必處理組合空氣動力學。對於飛艇型升降機，它避免了建造如此高的塔，儘管貨物的重量相對有限。

參考資料

Pearson, J. 康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基與太空電梯的起源，IAF-97-IAA.2.1.09，第 48 屆國際宇航大會，義大利都靈，1997 年。
Cosmo, M. and Lorenzini, E. 太空繫繩手冊，第三版，史密森天體物理天文臺，1997 年 12 月。
Carroll, J. 繫繩應用分析指南，為馬丁·瑪麗埃塔公司，1985 年 3 月。
多位作者，太空電梯，NASA 技術報告伺服器的搜尋結果，從 1916 年到 2016 年的約 4775 項。
Alpatov, A. et. al., 繫繩空間系統動力學，CRC 出版社，2010 年 4 月。

旋轉電梯 -

Carley and Moravec, 火箭/天鉤組合，L5 新聞，1983 年 3 月
Ebisch, K. E., 天鉤：另一個太空建築專案，美國物理學雜誌，第 50 卷第 5 期，第 467-69 頁，1982 年。

Baracat, William A., 太空繫繩應用：研討會論文集第一卷和第二卷。（1985 年 10 月 15 日至 17 日在義大利威尼斯舉行的研討會的論文集）NASA 會議出版物 2422，1986 年。
安德森，J. L. “繫繩技術 - 會議摘要”，美國航空航天學會論文 88-0533，1988。

3. 氣球

其他名稱：高空氣球，飛艇，充氣塔

型別：氣動力的勢能

描述：這種方法利用壓力和密度差異產生的升力，而不是像機翼升力那樣主要來自速度。減少發射車輛阻力和重力損失的一種方法是使用高空氣球或飛艇將其吊到高空。研究氣球已經將噸級有效載荷送到了 15-30 公里高空，這已經超出了大氣層的絕大部分。另一種提出的方法是使用高壓支撐結構。強度最高的材料在拉伸時強度最高，因此理論上充氣結構可以支撐自身。大型加壓結構的風載荷是主要的設計問題。如果使用比周圍大氣密度低的氣體，結構將部分浮起，不需要像依賴於抗壓強度的結構那樣進行相同的縮放。足夠大的結構，其表面積與體積之比會很小，只需加熱內部空氣即可浮起。

狀態：氣球、飛艇和壓力支撐結構已經使用了幾十年，並且已經進行了一些從氣球發射火箭的實驗。但它們尚未進入軌道。

變體

3a 氣球載體 - 一種產生升力並攜帶儀器包或發射載具的裝置，但沒有自身推進系統。它們在地球上被廣泛用於科學，並被提議用於其他星球。
3b 飛艇 - 一種結合浮力升力和氣動升力以及前向推進力的組合的裝置。
3c 軌道飛艇 - 這個概念是由JP Aerospace提出的。它涉及一個非常輕的飛艇，它從一個漂浮平臺開始，並透過太陽能電力推進器加速到軌道速度。目前尚不清楚這是否在技術上可行。
3d 測地線球體 - 一個三角形的框架支撐著壓力皮膚，如果足夠大，它只需要內外溫差就可以浮起來。由於結構質量與面積成正比，而升力與體積成正比，因此如果建造得足夠大，它就會浮起來。
3e 壓力支撐塔 - 利用內部較高壓力的升力來提升結構。這可以推廣到對任何結構元件加壓以幫助支撐它。

參考資料

4. 低密度隧道

其他名稱

型別：氣動力的動能

描述：往返於具有大氣的星體，例如地球，會導致巨大的阻力和加熱損失。氣動阻力在其公式中包含氣體密度因子。這個概念透過使用低密度氣體或真空來減少或避免這些損失。透過使用原子量較低的氣體，例如氫氣，或透過抽取部分或全部氣體來獲得較低的密度。這不是一種運輸方式本身，而是一種避免損失的方法。

狀態：低壓管道是一種常見的裝置。它尚未用於太空運輸。

變體

4a 輕氣體隧道 - 一條或多條輕氣體氣球或管道沿車輛或彈丸的路徑排列。該氣體的密度低於空氣。阻力公式為 0.5*C(d)*Rho*A*v^2，其中 Rho 是密度。因此，較低的密度將降低阻力。高速穿過任何氣體都會產生衝擊波，因此彈丸的大小相對於隧道的尺寸需要足夠小，以防止衝擊波損壞結構。

4b 真空隧道 - 真空隧道透過塔架或自身從空氣中排出的升力來支撐穿過大氣層。發射系統，例如電磁加速器，將彈丸發射到隧道中。阻力損失在隧道內最小化，並且在隧道之外的大氣層剩餘部分中也很低。頂端需要某種方法來防止空氣流入並充滿隧道 - 例如，在加速器即將發射之前保持關閉的艙口。

參考資料

5. 磁力支撐結構

其他名稱：Startram

型別：磁場的磁儲存

描述：靜態或時變磁場產生力來支撐結構。例如，一系列大型超導線圈堆疊起來，使它們相互排斥並支撐貨物。或者，載流導線在地面和結構之間產生排斥力。

狀態：Startram 是一個使用磁懸浮提出的概念，但尚未達到實驗版本。

變體

參考資料

B. 動態結構

靜態結構依賴於恆定力，例如材料的強度來支撐自身。動態結構依賴於快速移動部件產生的力來支撐結構。這種方法的優點是它可以支撐超出材料強度極限的結構。缺點是，如果控制運動部件的機械失效，結構就會崩潰。

6. 噴泉/質量驅動器

其他名稱

型別

描述：電磁加速器提供垂直向上移動的質量流。一系列線圈在質量向上移動時減速，然後將它們再次加速向下，達到當地重力的幾倍。當它們到達底部時，加速器會減速並再次將它們拋回，達到當地重力的數倍。因此，加速器比噴泉高度短得多。線圈對噴泉質量加速的反應提供了一個可以支撐結構的升力。升力沿著線圈所在的位置分佈。這可以在塔架的長度上，或者集中在頂部，質量流在大部分時間內自由飛行。

現狀

變體

參考資料

7. 超軌道質量流

其他名稱：發射環

型別

描述：一條或幾段帶子以超軌道速度保持運動。它們透過磁力約束以支撐結構，同時防止其離開軌道。車輛沿著帶子行駛，利用磁力制動帶子的運動來加速。已經提出了幾種使用超軌道速度結構的概念。一個被稱為“發射環”。在這個概念中，一段金屬帶子在地球低軌道加速到超過軌道速度。帶子透過懸掛在由帶子支撐的磁懸浮硬體上的系列纜索來防止上升到更高的遠地點。帶子被引導到地面上的真空管中，並使用地面的磁鐵將其轉動 180 度。前往軌道的車輛乘坐電梯到一個空間站，纜索在高空水平移動。車輛利用帶子上的磁力阻力加速，然後在達到軌道速度時釋放。

現狀

變體

7a. 伯奇環 - 由兩部分組成。一個是包含一個或多個低空“地球同步”衛星以及附在其上的太空電梯的星座，其與地面的距離將是正常軌道中的 LEO。這個衛星星座（也可以稱為地球靜止衛星，因為它們相對於地面是靜止的）儘管速度低但不會墜落，這是因為有一個質量流，其重量更大，移動速度略高於軌道速度。質量流透過從靜止衛星星座偏轉到更短的弧線來保持較低的軌道高度。在低質量流的情況下，超軌道路徑接近直線，需要更多數量的靜止衛星來將其繞地球偏轉而不會穿過大氣層（以多邊形模式）。在高質量流的情況下，它僅比軌道速度略高，但其質量遠大於靜止衛星。

其他名稱：軌道環系統（ORS），雅各布天梯，太空吊橋

8. 多級太空電梯

其他名稱

型別

描述： 多級太空電梯擁有多個結構元素，各部分相對運動。例如，地球軌道上的垂直懸掛纜索可以在其末端具有旋轉纜索。這種佈置的優勢在於，與單根纜索相比，它降低了纜索與有效載荷的質量比。旋轉纜索的質量比近似於 exp(尖端速度平方)。如果兩根纜索分別提供一半的尖端速度，則該比率變為 exp(2(尖端速度/2)平方)，即總質量比更小。多級電梯的另一個特點是兩個階段的尖端速度向量相加。由於一個相對於另一個旋轉，因此兩個向量的和會隨時間變化。在合適的尖端速度和角速度選擇下，可以以任意速度和方向接收和傳送有效載荷，最高可達兩個向量的總和。多級電梯的動力學非常複雜。

現狀

變體

8a 懸掛/旋轉電梯 - 這包括一個垂直/非旋轉的太空電梯結構，在一個或兩個端點有一個旋轉的第二級。這更適合在重力井內使用，因為重力梯度將穩定第一級。
8b 旋轉/旋轉電梯 - 這包括兩個階段，都處於旋轉狀態，以獲得給定速度的更低質量比。這更適合於自由空間應用，在自由空間應用中，結構上缺乏變化的重力將簡化動力學。

參考資料

參考資料