第 2 部分：太空運輸方法
在第 1 部分中，我們討論了相關科學的基礎知識，包括推進力（第 1.3 節）和能源（第 1.4 節）。這兩項可以組合成一種或多種太空運輸方法。在第 2 部分中，我們將討論各種運輸方法，包括目前正在使用的、處於不同開發階段的、以及提議或理論性的方法。在考察個別方法之前，我們將簡要看一下為什麼過去到達太空如此困難且昂貴，以及總體上可以採取哪些措施來改變這種情況。我們還提供了一些參考表格，列出了各種方法。
理想的運輸系統具有無限的使用壽命，並在運送所需貨物時具有最小的運營成本。實際系統永遠無法達到這個目標，設計者的工作是在技術水平和其他專案限制（如資金和時間表）的約束下儘可能地接近它。對於航空和太空運輸，所需的貨物被稱為 有效載荷。出於運輸目的，它以絕對質量 (kg) 或 質量分數 來衡量，即有效載荷質量佔總車輛質量（包括有效載荷）的百分比。
20 世紀中後期火箭設計師的艱鉅任務是在進入地球軌道時，在高成本和小有效載荷之間找到最佳平衡。這種折衷是由於三個因素的共同作用，導致有效載荷分數很小，因此相對成本很高。
- 地球的質量和大小，它決定了達到軌道所需的速度，
- 化學火箭推進劑中所含的能量，它決定了你需要多少推進劑，以及
- 用於建造火箭的材料的強度和其他特性，它決定了車輛硬體的質量。
這三個因素的組合導致了一架理想的一體式、長壽命火箭的有效載荷很小，甚至為負。這種火箭的總髮射質量由三個主要部分組成：推進劑、車輛和有效載荷。有效載荷質量是在考慮前兩項後剩餘的部分，在 20 世紀的設計中，這部分剩餘可能為負，或者最多隻有百分之幾。例如，一個單級 LO2/LH2 車輛，其任務速度為 9000 米/秒，排氣速度為 4500 米/秒，其燃料可能佔 86.5%，車輛硬體佔 10-15%（取決於使用壽命），因此有效載荷佔 -1.5% 到 +3.5%。較低的硬體重量與更輕巧的一次性結構相關聯，而較高的重量與更厚實的多用途結構相關聯。LO2/LH2 是能量最高的燃料組合。火箭與有效載荷重量的大比例導致了以美元/公斤計的高發射成本。
從一個你可以像飛機一樣加油和重新發射的理想車輛概念中必須做出各種妥協。一種做法是讓硬體只飛一次，從而允許使用比那些設計為飛多次的硬體更輕的結構。另一種做法是在飛行過程中丟棄車輛的部分，產生一個 多級火箭。隨著燃料的消耗，保持加速所需的推力會減少，因此需要更少或更小的發動機。油箱也會清空，因此你可以在不再需要它們後丟棄多餘的發動機和油箱。車輛的其餘部分重新開始加速朝軌道前進，但受益於之前階段獲得的速度，並且車輛重量更輕。低使用壽命和分級都是昂貴的 - 你必須更換或重新組裝硬體，但考慮到當時的科技水平，這是必要的。設計者必須在由於有效載荷過小而導致的高成本或由於丟棄或重建完整火箭而導致的高成本之間找到最佳平衡。一次性、多級火箭仍然是到達地球軌道最常用的方法，因此迄今為止的太空運輸非常昂貴。
地球的質量和大小以及化學推進劑中的能量是固定的，結構材料的改進速度相當緩慢。使用最新的材料、最佳化的燃料選擇以及車輛部件的回收和再利用可以顯著降低成本。但最終，化學火箭設計的限制因素是軌道速度和燃料能量，它們是固定值。因此，為了在成本方面做出更戲劇性的改變，我們必須打破 20 世紀的一個或多個限制因素。例如
- 你可以建造跨越地球引力井一部分的大型結構。這會降低車輛需要提供的速度。即使是微小的降低也會使接近零的有效載荷分數變為正數。過去的系統隱含地假定化學火箭完成到達軌道的全部工作，因為它是當時唯一被認為對這項工作有用的推進型別。沒有物理定律規定必須使用一種型別的推進方式來完成整個工作，而使用多種方法通常可以獲得更好的總體效能。
- 現在，除了傳統的化學火箭之外，還有許多替代方案，從實際應用到僅僅是理論性的方案。本書第 2 部分試圖列出所有已知的方法，到目前為止共有 83 種，不包括變體。其中許多方法具有更好的效能，減少了所需的燃料，並增加了淨有效載荷。
- 自 20 世紀中葉以來，出現了更好的結構材料和更輕的部件，但目前的一些火箭仍然沒有利用它們。
儘管有更多選擇會更加複雜，但現代設計師應該考慮所有可用的運輸方法，並將它們應用在它們最有效的地方。從短壽命、低有效載荷運輸到長壽命、高有效載荷設計，潛在的收益足以證明額外的工作是合理的。
從軌道力學角度來看，近地軌道（LEO）是低於 2000 公里高度範圍，約為地球半徑的 1/3。在這個區域，地球的重力超過地表值的 58%，軌道週期比海平面理論軌道的 84 分鐘高出不到 50%。從實際角度來看，LEO 是 200 到 1000 公里高度範圍。這高於顯著的大氣阻力，低於範艾倫輻射帶。歷史上的太空運輸問題是如何從地面進入這個軌道範圍。超越 LEO 的旅行不像最初發射那樣侷限於化學火箭。這是因為對於垂直火箭發射，你需要能夠以超過一個重力 (9.8 米/秒2) 的加速度加速整個車輛，以便能夠起飛，並保持相對較高的推力以防止在低於軌道速度的情況下再次撞擊地面。化學火箭的關鍵特徵之一是它們非常高的推力重量比。這使得它們儘管絕對效率低，但仍然很有吸引力。
一旦進入穩定的軌道，就可以使用更低的推力水平進行更遠距離的旅行，因為你不會有立即再入的危險。因此，人們一直在研究化學火箭的替代方案，用於這些任務，其中一些方案在最近幾十年甚至已經投入使用。現在有更多可用於超越 LEO 的替代方案，這些方案提供了更好的效能或更廣泛的設計選擇。然而，更大的變化在於到達 LEO 的第一步，直到最近，這第一步還侷限於一種相對低效的方法。
作為設計師的起點，圖 2.0-1 列出了本書作者所知的 83 種主要太空運輸方法。它們在以下部分中進行了更詳細的描述，並按型別劃分成邏輯類別。這裡和本書後面列出的順序是按照型別的相似性，而不是按照可行性或開發狀態。這些因素將在後面考慮。許多方法在概念或應用方面也存在差異。從這份清單中，設計師可以將選擇範圍縮小到特定專案的相關選項，最終確定最終選擇。從所有選項開始，可以確保不會遺漏任何可行的方案。
圖 2.0-2 將相同的運輸方法按編號列在一個表格中，因為如果包含名稱，表格將過於龐大。表格中的行表示不同的能源，按主要型別分組。列表示如何施加力來產生運動。它們分為兩個主要類別：（1）排出物質，根據牛頓定律產生相反的反應力，以及（2）車輛與外部物質或力相互作用。該表格有助於組織和思考這些方法。一些理論方法未在此表中顯示，因為我們沒有確定的設計來實現它們。如果考慮所有可能的變體，一些方法可能會跨越多個方框，但我們在本版本中將其分配到單個方框。空方框可以激發對未知的可能的運輸方法的思考，或者這種特定的組合是否真的缺乏可能的用途。
這兩張圖代表了 2012 年中期的知識狀態。作者可能還不知道一些額外的運輸方法，未來可能會設計出新的方法。如果考慮一個嚴肅的專案，設計師應該調查相關專家和文獻，以包括最新的概念。
