第264章 太空電梯
李水旺新一期視頻：
探索星空一直是人類的夢想
如果我們能爬上去呢
取而代之的是
數百年來，人類一直夢想著抵達星辰
但直到現在，我們都依賴火箭
而火箭在運輸能力上存在一些實實在在的局限
如果我們的目標是讓數百萬人
每天都能往返太空
我們研究了許多替代方案
最近我們深入探討了太空電梯
並接著對比了火箭與質量投射器的優缺點
質量投射器本質上是大型軌道裝置
或是用於將貨物甚至人類發射入軌的太空大炮
如今有許多創新系統可用於將貨物和人員送往太空
今天我們將探討幾種
基於太空電梯基本原理
但執行方式不同的系統
我們的主要焦點將是天鉤與旋轉天鉤系統
以及保羅·伯奇的雅各布天梯概念
通常簡稱為太空梯
這些方法提供了一種擺脫地球引力的方式
無需依賴化學推進劑的爆炸力
也無需承擔重複發射火箭的高昂成本
取而代之的是，它們利用繫繩系統
這是一種革命性的太空探索範式
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重新定義了人類進入軌道及更遠空間的方式
以太空梯為例
這些系統可以建造在城市附近
甚至城市內部
提供一種安全、安靜、高容量的太空旅行方式
甚至能實現日常通勤
藉助先進物理學與材料科學
這些繫繩系統打造出可重複使用、可規模化的太空通行基礎設施
這包括軌道繫繩、旋轉纜繩
以及從地球表面延伸至太空的巨型結構
實現人員與物資的直接運輸
有了繫繩技術
太空不再是遙遠而昂貴的前沿陣地
反而成為人類活動可觸及、自然而然的延伸
就像橫渡海洋或飛越大陸一樣
這些創新代表著邁向太空文明的巨大飛躍
天空不再是極限
而僅僅是起點
我現在相信，有了 石墨烯超級層壓板（GSL）
我們擁有了一種可低成本生產的材料
其強度與長度足以讓真正的太空電梯成為可能
正如我們最近在太空電梯中討論的
然而，更短的繫繩要容易建造得多
正如我們今天將探討的
它們可能比全尺寸太空電梯更早投入使用
我們也將看到天鉤與旋轉天鉤系統
如何與其他技術無縫協同工作
比如成本更低、更易建造的質量投射器、空天飛機
和可重複使用火箭
這些系統相互補充
通過結合使用繫繩基礎技術
讓太空通行更便宜、更高效
想像一根能在空中捕獲太空飛行器的纜繩
減少對巨額燃料儲備的需求
或是一架固定在軌道環上的天梯
提供穩定的爬升通道進入軌道
降低成本、提升可持續性
並支持人類在地球之外長期居住
它們不僅僅是探索工具
更是人類邁向太空文明的墊腳石
正如我們稍後將看到的
這些系統不僅能有效幫助人類從地球進入太空
在火星、金星和水星上也極具應用潛力
不同環境可適配這些系統的不同優勢並加以改造
事實上，天梯系統本身
不僅能實現快速太空旅行
還能快速返回地球
成為地球上無可比擬的快速廉價交通方式
比任何飛機都快
現在，當我們深入研究天鉤與旋轉天鉤時
需要理解一個核心概念
如果太空飛行器只需達到軌道所需速度的一半
它消耗的燃料僅為原來的五分之一
燃料節省遠不止於此
更低的發射速度意味著建造成本大幅降低
高速發射需要極高的工程精度
讓成本遠超燃料本身
同樣，設計用於低速發射的質量投射器
長度僅需達到軌道速度所需長度的四分之一
這些技術分屬不同類別與應用場景
但首批應用很可能與現有火箭
或高超音速飛機協同實現入軌
而這些載具也可能從質量投射器獲得助推
這是如何實現的？
首先值得說明的是
嚴格來說，天鉤和旋轉天鉤
是描述同一總體概念的兩個術語
然而，大約十年前
我似乎無意間讓「天鉤」這個詞流行起來
用來特指旋轉天鉤的一種變體
我們曾做過幾期關於天鉤
在此之前，旋轉天鉤可能是更常用的術語
儘管即便在當時，兩者都相對冷門
我更喜歡天鉤這個詞
因為當時我發字母R的言語障礙更嚴重
天鉤比旋轉天鉤更容易發音
我過去常把它讀成「弗托維特」
在科幻作品中，天鉤有時指代更科幻的技術
比如反重力
在最近的討論中
我用天鉤特指 徑向朝向
或垂直垂向地球的繫繩
而旋轉天鉤則指 在軌端對端旋轉 的繫繩
這一區分似乎已得到認可
所以我們在此沿用
先從更簡單的天鉤概念說起
天體的軌道速度由其高度
即與行星中心的距離決定
這一規則適用於任何天體
軌道越遠，天體移動越慢
在相同距離下
天體要繞質量更大的行星運行
就需要更快的速度
以地球為例
大氣層上方的天體軌道速度約為
7788米/秒
17422英里/小時
大約90分鐘完成一圈完整軌道
地球仍在下方自轉
所以完整軌道的定義
取決於是回到同一地點上空
還是完成360度繞行
地球自轉確實能為太空飛行器提供助力
尤其在赤道附近
如果我們再往上約2000公里
到達2100公里高度
軌道周期會增加到2小時多一點
軌道速度降至6820米/秒
15400英里/小時
現在設想一個質量相當大的空間站
在2100公里高度運行
連接著一根輕質錐形繫繩
向下延伸至100公里高度
纜繩會因自身重量斷裂
所以將其設計成頂部更粗、底部更細的錐形
能讓它們比等粗纜繩更長
無論如何，這根繫繩的低端
將在大氣層上方繞地球運行
速度僅為5228米/秒
因為它與上方空間站的軌道周期相同
但繞行的圓周軌跡短得多
相同時間內距離更短意味著速度更慢
在這種情況下
比所懸掛的空間站慢592米/秒
比100公里高度的軌道速度
足足慢2560米/秒
而100公里高度的軌道速度為7788米/秒
現在，如果你想將有效載荷送入軌道
可以發射一枚火箭
讓它在繫繩末端釋放有效載荷
然後返回地球
接著空間站只需將有效載荷沿繫繩絞升上去
關鍵區別在於
這枚火箭所需的速度增量
比常規火箭入軌少27%
而且如果是可重複使用火箭
再入時所需減少的速度增量也少27%
這有什麼幫助？
27%看起來可能不多
但要記住，我們的大腦習慣於線性思維
而火箭技術遵循火箭方程的指數特性
當火箭的速度增量需求降低27%
這意味著系統的成本與複雜度大幅降低
燃料消耗降至原來的一半左右
這不僅意味著你只需建造一半大小的火箭
還能大幅降低
為製造能承受火箭極限工況、不爆炸
且可維修重複使用的裝置
所涉及的天價建造成本
所以我們很容易看到成本降低一個數量級
甚至更多
但這到底如何發揮作用？
現在我們有一艘懸停在大氣層上方的太空飛行器
它也會對空間站產生向下的拉力
這就是繫繩發揮作用的地方
你可以沿著它爬升
可以通過絞車將貨物或乘客運送到空間站
空間站可能懸掛多根繫繩以實現冗餘
並運送其他貨物
或者讓太空飛行器自行沿繫繩攀爬
另外，天鉤末端可以設置一個吊艙
人員與貨物在此轉移
運送他們的載具隨後分離返回地球
而吊艙沿繫繩爬升至空間站
根據具體情況
這些方法中的任何一種都可能效果更好
當你到達繫繩頂端時
你的移動速度將等於頂端空間站的速度
略低於該高度的正常軌道速度
爬升過程也會略微減慢空間站的速度
因為它將動量傳遞給了你
只需極小的燃料助推
就能將你送入穩定軌道
讓你在離開頂端空間站後
轉移到目標軌道
或者空間站可以通過小型質量投射器
或彈射系統提供電磁助推
讓你加速
這種方法可以節省燃料
進一步簡化入軌流程
之前我提到過空間站配備燃料艙和太陽能板
這也是原因之一
另一個原因是，空間站質量越大
捕獲太空飛行器時自身速度與軌道的擾動就越小
這本身就很有用
因為現在你擁有了一艘進入太空的太空飛行器
無需按照常規入軌太空飛行器的要求
進行超高精度、超高成本的工程製造
燃料並非送入太空的主要成本
所以只要能使用
造價與維護成本大幅降低的可重複使用火箭或空天飛機
我們就能實現巨大的發射成本節約
但更厲害的是
空間站可以恢復自身動量
火箭燃料並非高效推進方式
尤其在實現高速度增量時
因為你想要加速得越快
單位燃料獲得的速度增量就越少
一般來說
相比之下，離子推進器等高效驅動裝置
單位燃料能提供10到20倍的速度增量
但它們的推力水平低得多
你無法用離子推進器發射太空飛行器
因為它必須超過重力造成的向下加速度
約1G
且超過得越多越好
例如，以4G加速度飛行的火箭
入軌燃料消耗比2G的更少
然而，離子推進器產生的推力甚至遠達不到1G
如果空間站體積很大
捕獲太空飛行器並讓其攀爬時
速度僅損失比如100米/秒
那麼在下一次發射或捕獲之前
你可能有幾個小時甚至幾天的時間
在此期間，空間站可以使用離子推進器
或其他低推力、高效率發動機
恢復繞地球運行的損失速度與動量
藉助地球強大的磁層
可以通過 電動繫繩技術 恢復動量
這需要在長繫繩中通入電流
電流與磁場相互作用
通過洛倫茲力產生推力
推動繫繩
以地球為例，磁層為這種相互作用提供穩定磁場
讓繫繩無需傳統推進劑就能產生推力
雖然速度不快
但這種方法完全不需要推進劑
僅依靠電力
而太陽能板可以大量產生電力
這種長度的天鉤
會有相當一部分時間處於地球陰影中
不到一半，但仍占可觀比例
在陰影之外的時段
多餘的太陽能可用於將空間站抬回原位
同時為電池充電
這種設置實際上比地球上的太陽能更高效
原因有幾個
1. 不受陰天干擾
2. 處於陰影中的時間比地面太陽能陣列更短
3. 軌道周期僅需幾小時
電池只需儲存約14分鐘的能量
而非半天
電動繫繩與太陽能的結合
讓天鉤成為可持續、高效的系統
用於維持軌道動量與穩定性
天鉤懸掛得越低
受到的空氣阻力就越大
這部分動量也需要補充恢復
或許可以將天鉤底端保持在卡門線以下
但懸停在常規飛機高度可能不可行
不過，如果能到達吸氣式噴氣發動機仍能工作的高度
效果會更好
探索星空從未如此簡單
正如我們今天所見
科學為通往太空開闢了新路徑
回到攀爬入軌的話題
或許可以將繫繩最後一段降至空中
僅用於對接
不使用時再絞升回去
或者採用橢圓軌道
每圈軌道僅短暫進入較稠密的大氣層兩次
或兩種方式結合使用
現在我們能建造比2000公里更長的天鉤嗎？
當然可以
石墨烯超級層壓板的斷裂長度為4200公里
即2600英里
在更高處會更長一些
因為重力開始減弱
斷裂長度基於常規地球重力計算
重力減半，材料斷裂長度翻倍
我們在太空電梯中詳細討論過這一點
當長度達到一定程度
你不妨放棄天鉤
轉而使用太空電梯
太空電梯無需動量補充
能讓你直接從地面出發
和太空電梯一樣
天鉤在赤道地區效果更好
因為能最大程度藉助地球自轉的免費速度
但這並非必需條件
因此也能適配現有發射場
我認為5000公里長的天鉤完全可行
這會讓軌道周期僅增加到3個半小時
底端掛鉤的速度約為3300米/秒
即7400英里/小時
值得注意的是，這大約是NASA X-43的最高速度
也就是說，吸氣式空天飛機完全可以可靠地與之對接
更低的速度會更理想
我們還能建造更長的天鉤
但同樣，此時已經接近太空電梯的適用條件
因為太空電梯真正的難點僅在於最低段的承重問題
稍後講到旋轉天鉤時
我們會看到如何讓末端速度更低
也會看到這些技術在其他低重力行星上的其他用途
關於這種天鉤最後還有一點需要說明
它們不僅能與火箭、空天飛機或質量投射器協同使用
還能相互配合使用
你完全可以建造一根10000公里長的天鉤
懸停在5000公里長的天鉤上方
速度更慢
末端懸垂到下方天鉤的空間站
該空間站會偶爾經過
然後你可以轉移到這根更長的天鉤上
繼續向更高處爬升
不一定需要機載燃料
按需重複此過程即可
我們討論太空梯時也會這樣做
給它們加上可攀爬的梯級
天下沒有免費的午餐
但與其在瞬間產生巨大推力
我們可以將其分散到很長一段時間
使用太陽能驅動的低推力、高效率發動機
這些發動機的部件承受的應力小得多
從而實現成本更低、工程更簡單
災難性故障風險更低的效果
非旋轉天鉤相對於其對應物——旋轉天鉤的主要優勢
在於它不旋轉
它只是一座不與地面相對靜止的簡化版太空電梯
這讓與之對接變得容易得多
因為它的位置可預測
始終保持在同一高度
相比之下，旋轉天鉤像太空中的巨型流星錘一樣擺動
在與軌道上其他物體交互時
可能帶來挑戰與潛在風險
至少對地球周邊長期、高密度使用而言是致命的
在火星等新開發區域
或軌道上物體不多的新殖民地部署
它們可能特別有優勢
現在我們來講 旋轉天鉤
顧名思義，它是 旋轉 的
是更短的簡化版太空電梯
旨在以動態高效的方式彌合通往軌道的差距
旋轉天鉤的基本概念是
它會旋轉
而非像傳統天鉤那樣單純懸掛
常規天鉤在其高度的運行速度低於軌道速度
而旋轉天鉤的旋轉運動
進一步降低了擺動底端相對於地面的速度
相反，在擺動頂端
旋轉會增加速度
讓它能以高速將太空飛行器向外拋出
旋轉天鉤在垂直平面內旋轉
類似摩天輪
而非隨意旋轉
事實上，為小行星採礦設計的更大版本
類似摩天輪與斗式挖掘機的結合體
可以查看我們關於採礦或拆解行星的科普
了解相關討論
旋轉天鉤的主要優勢在於其旋轉運動
能在向下擺動時為有效載荷提供額外動量
它將使用與天鉤相同的動量補充方法
但由於傳遞的動量更多
需要補充的動量也更多
不過它受到的大氣損耗補償更少
能更輕鬆地下降到更低高度
另一方面，因為它像流星錘一樣旋轉
繫繩會承受離心力帶來的額外應力
這種應力在旋轉底端達到最大
重力與旋轉的合力在此產生最大應力
尤其是在夾住飛行器將其送入太空時
旋轉天鉤的長度與轉速
可根據材料強度與重力進行調整
但通常需要比同等天鉤更短
其質心位於繫繩中點
即旋轉支點
這意味著它的軌道周期比天鉤更短
因為天鉤的質心更靠近頂端
此外，旋轉天鉤的受力段
是從中點到末端
而非像天鉤那樣是整個長度
旋轉天鉤也不需要在中點設置大型空間站
因為它不像天鉤頂端的空間站那樣是目的地
相反，旋轉天鉤的作用是
鉤住飛行器並將其旋轉甩入太空
中點僅用於增加質量
放置不會給繫繩帶來過大應力的設備
以增加總動量
讓鉤住飛行器時不會產生太大擾動
這裡的設備大概率主要是太陽能板與離子推進器
因為沒有必要配備大量輻射屏蔽或燃料庫
再次強調，這不是停靠港
旋轉天鉤越長、轉速越快
性能越好
但這也會顯著增加繫繩的應力
離心力隨長度增加而增大
但繫繩的一個關鍵優勢是可以設計成錐形
中間更粗、末端更細
以減少應力
錐形設計能將強度集中在最需要的地方
讓繫繩超過材料常規斷裂長度
例如，中間段支撐更多重量
下方分段承受的重量逐漸減小
想像一根繞地球運行的旋轉天鉤
長度2000公里
中點位於海平面以上1500公里處
這意味著其底端在最低點擺動時
僅距地面50公里
整個旋轉天鉤每106分鐘繞軌一圈
軌道速度為16400英里/小時
7.33公里/秒
由於地球在下方自轉
旋轉天鉤每114分鐘經過地面同一地點
為簡化計算，假設沿赤道做圓軌道
為與發射操作同步
我們希望旋轉天鉤的轉速是軌道周期的倍數
至少是一半
因為它有兩個末端
可以服務多個發射場
例如，它可以每11.4分鐘完成一圈旋轉
每圈軌道可下降10次
或者轉速更慢
比如每114分鐘一圈
以匹配經過頭頂的時間
大多數情況下，如果發射頻率不高
較慢的轉速就足夠
例如，每1145分鐘（9小時18分鐘）旋轉一圈
可能比較合理
但每25圈軌道旋轉一次
即隔天一次
可能太慢而不實用
對這類任務而言
更短、轉速更快的旋轉天鉤效果更好
對於旋轉天鉤
我們討論的旋轉周期快於軌道周期
除了輔助太空飛行器之外
旋轉天鉤還有其他可能的應用
可能適合更慢的轉速
舉例來說，14分鐘旋轉一圈的旋轉天鉤
末端速度為915米/秒
2500英里/小時
末端加速度僅為0.085G
意味著繫繩與任何附著的有效載荷
所承受的重量僅比正常情況高8.5%
這對繫繩與有效載荷來說
都是應力較低的系統
但效果不算特別顯著
整個旋轉天鉤因軌道運動
以7.3公里/秒（16400英里/小時）的速度移動
而地球赤道自轉速度為465米/秒（1400英里/小時）
當這些速度與末端速度疊加
對接所需的相對速度降至略低於6公里/秒
而常規入軌需要約8公里/秒
如果將轉速提高四倍
每29分鐘完成一圈旋轉
末端速度躍升至3660米/秒（8200英里/小時）
這將對接速度降至3200米/秒
與5000公里長的天鉤效果相當
然而，末端加速度增加到1.37G
意味著旋轉底端的末端
承受的重力與重量是正常情況的2.37倍
重要的是，這個系統僅需1000公里長的繫繩
而非5000公里
成為更緊湊、潛在更可行的替代方案
如果將轉速提高到每圈軌道旋轉7次
末端速度升至6400米/秒（14300英里/小時）
對接速度降至約930米/秒
或赤道處465米/秒
約1000英里/小時
然而，繫繩將承受4.2G的離心力
進一步提高到8圈旋轉
加速度增至5.5G
外加地球重力
末端速度提升至7.32公里/秒（16374英里/小時）
在這個速度下
末端相對於地球表面
除極點外會向後移動
速度太快，至少在地球上不實用
我們可以想像
在比地球稍大的人類殖民星球
或某個外星文明所在的星球上
這會非常實用
7圈旋轉的版本
用適合5000公里天鉤的材料即可實現
它能讓普通高超音速飛行器
在50公里（30英里）高度與之對接
這對吸氣式噴氣發動機來說更容易實現
然而，這種設置存在挑戰
因為繫繩每隔約16分鐘
就會高速沖入相對稠密的大氣層約一分鐘
更低的速度有幫助
但狹窄的對接窗口進一步增加了複雜性
我們也無法像天鉤那樣
實際將繫繩升降
以縮短穿越大氣層的時間
因為這會增加更多應力
旋轉天鉤的另一個關鍵優勢
是它能提供極高的發射速度
當太空飛行器在250公里高空的頂端對接時
飛行速度將達到13.7公里/秒
而該高度的軌道速度僅為6.88公里/秒
這讓它能擺脫地球引力場
前往月球或更遠的地方
然而，頻繁沖入大氣層會大量損耗動量
讓系統在更高高度或無大氣天體上效率更高
但這也限制了與更高效的吸氣式噴氣發動機協同使用的機會
例如，在月球或水星上
旋轉天鉤可以直接降至表面
從固定平台抓取貨物艙
並在無大氣干擾的情況下發射
在火星上也能很好地工作
因為火星大氣層更稀薄，阻力更小
另一種方法是採用偏心軌道
旋轉天鉤每圈橢圓軌道僅兩次沖入大氣層
軌道其餘部分遠高於大氣層
你還可以結合多種技術
例如，伸入大氣層的天鉤
可以與上方的旋轉天鉤配對
為駛離的太空飛行器提供高發射速度
或者旋轉天鉤負責低大氣層對接
再由天鉤或另一台旋轉天鉤
增加更多速度
在之前的天鉤講解中
我們討論過傳統旋轉路徑
比如心臟線旋轉天鉤
以及串聯繫統
比如天鉤下方懸掛旋轉天鉤
甚至旋轉天鉤末端再連接一台旋轉天鉤
這些串聯旋轉天鉤的設計目的
是降低繫繩的離心力應力
採用轉速更慢的主繫繩
末端搭配更短、轉速更快的次級繫繩
雖然這些配置理論上能減輕應力
但將兩根旋轉繫繩結合
帶來了巨大的實際工程挑戰
短期內不太可能實現
我認為旋轉天鉤在無大氣天體上
比天鉤更有優勢
因為沒有空氣阻力
而且大多數這類天體的重力更低
讓繫繩能承受更大應力
然而在金星上
棲息地必須漂浮在雲層中
重力略弱於地球
天鉤似乎是更好的選擇
尤其與漂浮在大氣中的質量投射器配合使用時
總的來說，這兩種系統都能與質量投射器很好地配合
它們還能解決小型衛星
或自轉緩慢行星的太空電梯難題
因為它們不需要與地面保持相對靜止
所以在那些繫繩可能需要長達一百萬英里才能工作的地方
或沒有穩定地球同步軌道
或時鐘軌道的衛星周圍
都不會有問題
除地球之外
天鉤與旋轉天鉤都能提供可觀的運輸能力
但受限於動量補充速度
以及願意部署的數量
不過你可以從地外獲取推進劑
比如在月球上製造火箭燃料
用它讓天鉤更快補充動量
儘管效率會降低
它們在管理軌道碎片方面也存在挑戰
因為它們會掃過大片太空區域
一旦受損或偏離軌道
可能從天鉤變成「太空鞭」
甚至成為武器
這個話題我們改天再聊
接下來我們講 太空梯
在結束今天的繫繩系統討論前
我們簡要介紹一下
除太空電梯外
太空梯的工作方式與另外兩種截然不同
但擁有一些巨大優勢
具體來說，太空梯完全不需要運載火箭
可以在地球上幾乎任何地點運行
太空梯依靠 主動支撐
原始的雅各布天梯概念
由保羅·伯奇在20世紀80年代初
關於軌道環的論文中提出
有趣的是，伯奇將繫繩末端的掛鉤稱為天鉤
正如我們之前提到的
這個術語的定義一直比較寬泛
熟悉軌道環的人都了解其設計
但今天我們不深入探討
軌道環的基本理念是
在太空中建造一個巨大的金屬環
包裹在空心管內
並讓兩個組件以不同速度旋轉
系統通過磁懸浮保持穩定
只要內環與外環的合動量
滿足特定高度的軌道要求
結構就能保持原位
無論組件相對速度如何
更大版本的軌道環
可以支撐不可思議的壯舉
包括建造整個行星
但今天我們專注於更簡單的設計
一個纖細的軌道環
每天旋轉一圈
使其相對於地球保持靜止
環內的組件旋轉速度
遠高於該高度的軌道速度
因此整個結構能保持在空中
並大致與地面相對靜止
在赤道地區，這種設計能完美運行
這就是天鉤發揮作用的地方
保羅·伯奇在碳納米管或石墨烯出現之前
就提出了他的想法
即使凱夫拉在當時也是相對較新的材料
要讓軌道環真正保持靜止
要麼直接位於赤道正上方
要麼傾斜一定角度並固定在地面
後者需要額外的工程設計與更堅固的纜繩
考慮到我們已經在討論超過100英里長的纜繩
伯奇可能認為
只需傾斜軌道環
讓歲差緩慢環繞整個行星即可
這種方法的額外好處是
一個環就能服務全球大範圍區域
一個環服務所有區域
天鉤可以從軌道環上垂下
以常規飛機速度移動
將空氣阻力降至最低
這些掛鉤可以懸得足夠低
讓飛機與之對接
實現高效絞升貨物或乘客到軌道環
返程可能頻率更低
並經過精心協調
以回收貨物或乘客
可以在軌道環周圍分布多個天鉤
確保大範圍區域的持續通行
關於動量補充
軌道環會在行星陰影中度過大量時間
默認情況下
它們的位置足夠低
在大氣層內
能獲得一定的防輻射與微流星體保護
可以在軌道環上安裝太陽能板
通過加快內環旋轉速度補充動量
我們還可以從內環獲取動量
用於發射太空飛行器
但這個話題我們留到下次
你還可以將軌道環
與更常規的天鉤或旋轉天鉤配合使用
進一步提升物體高度
甚至在更外側安裝另一個軌道環
或者在軌道環上安裝質量投射器
實現更多功能
然而，基於我們在其他場景中討論的繫繩強度
你可以採用另一種方法
不使用天鉤
而是將繫繩向下延伸至地面
通常像拉索一樣傾斜
將軌道環牢牢固定
防止歲差
還可以在這些繫繩上鋪設電力與通信線路
這種方法的基礎設施更密集
但優勢無可比擬
它允許攀爬纜繩
從軌道環周圍的寬帶區域傾斜延伸
寬度可能達數百英里
這些攀爬裝置可以將乘客與貨物
從城市內部直接運送到軌道環
產生的噪音不比火車大
甚至更小
所需加速度也與火車相當
完全不需要機載燃料
只需空氣儲備箱
以及以防繫繩斷裂的降落傘
這種設置是每日運送大量人員
與海量貨物往返太空的終極解決方案
你可以在略有不同的高度與角度
建造數百個大型環
用短繫繩相互連接
這些環可以服務地球上任何地點
提供從城市中心直達太空的低能耗通道
從那裡，超高速真空列車
可以將軌道環與其他
連接地球任何地面的繫繩相連
實現比飛機更快、成本更低的全球旅行
然而，這是一種重型基礎設施解決方案
很可能要等到數萬人定期往返太空時
才會實施
除了單純建造太空塔之外
還有其他創建太空梯的方法
例如，你可以使用專門設計的洛夫斯特倫環
懸掛繫繩
讓旋轉天鉤或太空飛行器
在進入大氣層上方後使用
軌道環與洛夫斯特倫環也不一定是圓形的
你可以設計一個
一端接觸地面
另一端遠地點到達地球同步軌道高度的環
這些結構也可以分層建造
一個環位於100英里高空
另一個在200英里
然後是300英里，依此類推
隨著遠離地球
數千英里的更大間距變得更可行
在這座太空梯上形成一系列台階
供人們攀爬進入軌道
這些設計的成本都不算特別高
成本主要取決於繫繩材料
如果使用碳基材料
成本可能相對較低
主要開銷在於將第一根繫繩發射入軌的成本
總而言之
天鉤、旋轉天鉤與太空梯等繫繩系統
代表著人類進入太空方式的革命性飛躍
這些概念從簡單繫繩到先進軌道環
提供了可規模化、可持續、低成本的方法
將人員與貨物送入軌道及更遠空間
既可獨立使用
也可與成熟技術協同
藉助先進材料、創新設計與物理原理
我們減少對傳統火箭的依賴
讓火箭在必要時更便宜、更易建造
並向數百萬人開放太空
儘管這些技術需要大量前期投資與基礎設施建設
但其長期潛力無可比擬
有望讓太空旅行
像今天的航空旅行一樣便捷
成為邁向真正太空文明的墊腳石
探索星空一直是人類的夢想
如果我們能爬上去呢
取而代之的是
數百年來，人類一直夢想著抵達星辰
但直到現在，我們都依賴火箭
而火箭在運輸能力上存在一些實實在在的局限
如果我們的目標是讓數百萬人
每天都能往返太空
我們研究了許多替代方案
最近我們深入探討了太空電梯
並接著對比了火箭與質量投射器的優缺點
質量投射器本質上是大型軌道裝置
或是用於將貨物甚至人類發射入軌的太空大炮
如今有許多創新系統可用於將貨物和人員送往太空
今天我們將探討幾種
基於太空電梯基本原理
但執行方式不同的系統
我們的主要焦點將是天鉤與旋轉天鉤系統
以及保羅·伯奇的雅各布天梯概念
通常簡稱為太空梯
這些方法提供了一種擺脫地球引力的方式
無需依賴化學推進劑的爆炸力
也無需承擔重複發射火箭的高昂成本
取而代之的是，它們利用繫繩系統
這是一種革命性的太空探索範式
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重新定義了人類進入軌道及更遠空間的方式
以太空梯為例
這些系統可以建造在城市附近
甚至城市內部
提供一種安全、安靜、高容量的太空旅行方式
甚至能實現日常通勤
藉助先進物理學與材料科學
這些繫繩系統打造出可重複使用、可規模化的太空通行基礎設施
這包括軌道繫繩、旋轉纜繩
以及從地球表面延伸至太空的巨型結構
實現人員與物資的直接運輸
有了繫繩技術
太空不再是遙遠而昂貴的前沿陣地
反而成為人類活動可觸及、自然而然的延伸
就像橫渡海洋或飛越大陸一樣
這些創新代表著邁向太空文明的巨大飛躍
天空不再是極限
而僅僅是起點
我現在相信，有了 石墨烯超級層壓板（GSL）
我們擁有了一種可低成本生產的材料
其強度與長度足以讓真正的太空電梯成為可能
正如我們最近在太空電梯中討論的
然而，更短的繫繩要容易建造得多
正如我們今天將探討的
它們可能比全尺寸太空電梯更早投入使用
我們也將看到天鉤與旋轉天鉤系統
如何與其他技術無縫協同工作
比如成本更低、更易建造的質量投射器、空天飛機
和可重複使用火箭
這些系統相互補充
通過結合使用繫繩基礎技術
讓太空通行更便宜、更高效
想像一根能在空中捕獲太空飛行器的纜繩
減少對巨額燃料儲備的需求
或是一架固定在軌道環上的天梯
提供穩定的爬升通道進入軌道
降低成本、提升可持續性
並支持人類在地球之外長期居住
它們不僅僅是探索工具
更是人類邁向太空文明的墊腳石
正如我們稍後將看到的
這些系統不僅能有效幫助人類從地球進入太空
在火星、金星和水星上也極具應用潛力
不同環境可適配這些系統的不同優勢並加以改造
事實上，天梯系統本身
不僅能實現快速太空旅行
還能快速返回地球
成為地球上無可比擬的快速廉價交通方式
比任何飛機都快
現在，當我們深入研究天鉤與旋轉天鉤時
需要理解一個核心概念
如果太空飛行器只需達到軌道所需速度的一半
它消耗的燃料僅為原來的五分之一
燃料節省遠不止於此
更低的發射速度意味著建造成本大幅降低
高速發射需要極高的工程精度
讓成本遠超燃料本身
同樣，設計用於低速發射的質量投射器
長度僅需達到軌道速度所需長度的四分之一
這些技術分屬不同類別與應用場景
但首批應用很可能與現有火箭
或高超音速飛機協同實現入軌
而這些載具也可能從質量投射器獲得助推
這是如何實現的？
首先值得說明的是
嚴格來說，天鉤和旋轉天鉤
是描述同一總體概念的兩個術語
然而，大約十年前
我似乎無意間讓「天鉤」這個詞流行起來
用來特指旋轉天鉤的一種變體
我們曾做過幾期關於天鉤
在此之前，旋轉天鉤可能是更常用的術語
儘管即便在當時，兩者都相對冷門
我更喜歡天鉤這個詞
因為當時我發字母R的言語障礙更嚴重
天鉤比旋轉天鉤更容易發音
我過去常把它讀成「弗托維特」
在科幻作品中，天鉤有時指代更科幻的技術
比如反重力
在最近的討論中
我用天鉤特指 徑向朝向
或垂直垂向地球的繫繩
而旋轉天鉤則指 在軌端對端旋轉 的繫繩
這一區分似乎已得到認可
所以我們在此沿用
先從更簡單的天鉤概念說起
天體的軌道速度由其高度
即與行星中心的距離決定
這一規則適用於任何天體
軌道越遠，天體移動越慢
在相同距離下
天體要繞質量更大的行星運行
就需要更快的速度
以地球為例
大氣層上方的天體軌道速度約為
7788米/秒
17422英里/小時
大約90分鐘完成一圈完整軌道
地球仍在下方自轉
所以完整軌道的定義
取決於是回到同一地點上空
還是完成360度繞行
地球自轉確實能為太空飛行器提供助力
尤其在赤道附近
如果我們再往上約2000公里
到達2100公里高度
軌道周期會增加到2小時多一點
軌道速度降至6820米/秒
15400英里/小時
現在設想一個質量相當大的空間站
在2100公里高度運行
連接著一根輕質錐形繫繩
向下延伸至100公里高度
纜繩會因自身重量斷裂
所以將其設計成頂部更粗、底部更細的錐形
能讓它們比等粗纜繩更長
無論如何，這根繫繩的低端
將在大氣層上方繞地球運行
速度僅為5228米/秒
因為它與上方空間站的軌道周期相同
但繞行的圓周軌跡短得多
相同時間內距離更短意味著速度更慢
在這種情況下
比所懸掛的空間站慢592米/秒
比100公里高度的軌道速度
足足慢2560米/秒
而100公里高度的軌道速度為7788米/秒
現在，如果你想將有效載荷送入軌道
可以發射一枚火箭
讓它在繫繩末端釋放有效載荷
然後返回地球
接著空間站只需將有效載荷沿繫繩絞升上去
關鍵區別在於
這枚火箭所需的速度增量
比常規火箭入軌少27%
而且如果是可重複使用火箭
再入時所需減少的速度增量也少27%
這有什麼幫助？
27%看起來可能不多
但要記住，我們的大腦習慣於線性思維
而火箭技術遵循火箭方程的指數特性
當火箭的速度增量需求降低27%
這意味著系統的成本與複雜度大幅降低
燃料消耗降至原來的一半左右
這不僅意味著你只需建造一半大小的火箭
還能大幅降低
為製造能承受火箭極限工況、不爆炸
且可維修重複使用的裝置
所涉及的天價建造成本
所以我們很容易看到成本降低一個數量級
甚至更多
但這到底如何發揮作用？
現在我們有一艘懸停在大氣層上方的太空飛行器
它也會對空間站產生向下的拉力
這就是繫繩發揮作用的地方
你可以沿著它爬升
可以通過絞車將貨物或乘客運送到空間站
空間站可能懸掛多根繫繩以實現冗餘
並運送其他貨物
或者讓太空飛行器自行沿繫繩攀爬
另外，天鉤末端可以設置一個吊艙
人員與貨物在此轉移
運送他們的載具隨後分離返回地球
而吊艙沿繫繩爬升至空間站
根據具體情況
這些方法中的任何一種都可能效果更好
當你到達繫繩頂端時
你的移動速度將等於頂端空間站的速度
略低於該高度的正常軌道速度
爬升過程也會略微減慢空間站的速度
因為它將動量傳遞給了你
只需極小的燃料助推
就能將你送入穩定軌道
讓你在離開頂端空間站後
轉移到目標軌道
或者空間站可以通過小型質量投射器
或彈射系統提供電磁助推
讓你加速
這種方法可以節省燃料
進一步簡化入軌流程
之前我提到過空間站配備燃料艙和太陽能板
這也是原因之一
另一個原因是，空間站質量越大
捕獲太空飛行器時自身速度與軌道的擾動就越小
這本身就很有用
因為現在你擁有了一艘進入太空的太空飛行器
無需按照常規入軌太空飛行器的要求
進行超高精度、超高成本的工程製造
燃料並非送入太空的主要成本
所以只要能使用
造價與維護成本大幅降低的可重複使用火箭或空天飛機
我們就能實現巨大的發射成本節約
但更厲害的是
空間站可以恢復自身動量
火箭燃料並非高效推進方式
尤其在實現高速度增量時
因為你想要加速得越快
單位燃料獲得的速度增量就越少
一般來說
相比之下，離子推進器等高效驅動裝置
單位燃料能提供10到20倍的速度增量
但它們的推力水平低得多
你無法用離子推進器發射太空飛行器
因為它必須超過重力造成的向下加速度
約1G
且超過得越多越好
例如，以4G加速度飛行的火箭
入軌燃料消耗比2G的更少
然而，離子推進器產生的推力甚至遠達不到1G
如果空間站體積很大
捕獲太空飛行器並讓其攀爬時
速度僅損失比如100米/秒
那麼在下一次發射或捕獲之前
你可能有幾個小時甚至幾天的時間
在此期間，空間站可以使用離子推進器
或其他低推力、高效率發動機
恢復繞地球運行的損失速度與動量
藉助地球強大的磁層
可以通過 電動繫繩技術 恢復動量
這需要在長繫繩中通入電流
電流與磁場相互作用
通過洛倫茲力產生推力
推動繫繩
以地球為例，磁層為這種相互作用提供穩定磁場
讓繫繩無需傳統推進劑就能產生推力
雖然速度不快
但這種方法完全不需要推進劑
僅依靠電力
而太陽能板可以大量產生電力
這種長度的天鉤
會有相當一部分時間處於地球陰影中
不到一半，但仍占可觀比例
在陰影之外的時段
多餘的太陽能可用於將空間站抬回原位
同時為電池充電
這種設置實際上比地球上的太陽能更高效
原因有幾個
1. 不受陰天干擾
2. 處於陰影中的時間比地面太陽能陣列更短
3. 軌道周期僅需幾小時
電池只需儲存約14分鐘的能量
而非半天
電動繫繩與太陽能的結合
讓天鉤成為可持續、高效的系統
用於維持軌道動量與穩定性
天鉤懸掛得越低
受到的空氣阻力就越大
這部分動量也需要補充恢復
或許可以將天鉤底端保持在卡門線以下
但懸停在常規飛機高度可能不可行
不過，如果能到達吸氣式噴氣發動機仍能工作的高度
效果會更好
探索星空從未如此簡單
正如我們今天所見
科學為通往太空開闢了新路徑
回到攀爬入軌的話題
或許可以將繫繩最後一段降至空中
僅用於對接
不使用時再絞升回去
或者採用橢圓軌道
每圈軌道僅短暫進入較稠密的大氣層兩次
或兩種方式結合使用
現在我們能建造比2000公里更長的天鉤嗎？
當然可以
石墨烯超級層壓板的斷裂長度為4200公里
即2600英里
在更高處會更長一些
因為重力開始減弱
斷裂長度基於常規地球重力計算
重力減半，材料斷裂長度翻倍
我們在太空電梯中詳細討論過這一點
當長度達到一定程度
你不妨放棄天鉤
轉而使用太空電梯
太空電梯無需動量補充
能讓你直接從地面出發
和太空電梯一樣
天鉤在赤道地區效果更好
因為能最大程度藉助地球自轉的免費速度
但這並非必需條件
因此也能適配現有發射場
我認為5000公里長的天鉤完全可行
這會讓軌道周期僅增加到3個半小時
底端掛鉤的速度約為3300米/秒
即7400英里/小時
值得注意的是，這大約是NASA X-43的最高速度
也就是說，吸氣式空天飛機完全可以可靠地與之對接
更低的速度會更理想
我們還能建造更長的天鉤
但同樣，此時已經接近太空電梯的適用條件
因為太空電梯真正的難點僅在於最低段的承重問題
稍後講到旋轉天鉤時
我們會看到如何讓末端速度更低
也會看到這些技術在其他低重力行星上的其他用途
關於這種天鉤最後還有一點需要說明
它們不僅能與火箭、空天飛機或質量投射器協同使用
還能相互配合使用
你完全可以建造一根10000公里長的天鉤
懸停在5000公里長的天鉤上方
速度更慢
末端懸垂到下方天鉤的空間站
該空間站會偶爾經過
然後你可以轉移到這根更長的天鉤上
繼續向更高處爬升
不一定需要機載燃料
按需重複此過程即可
我們討論太空梯時也會這樣做
給它們加上可攀爬的梯級
天下沒有免費的午餐
但與其在瞬間產生巨大推力
我們可以將其分散到很長一段時間
使用太陽能驅動的低推力、高效率發動機
這些發動機的部件承受的應力小得多
從而實現成本更低、工程更簡單
災難性故障風險更低的效果
非旋轉天鉤相對於其對應物——旋轉天鉤的主要優勢
在於它不旋轉
它只是一座不與地面相對靜止的簡化版太空電梯
這讓與之對接變得容易得多
因為它的位置可預測
始終保持在同一高度
相比之下，旋轉天鉤像太空中的巨型流星錘一樣擺動
在與軌道上其他物體交互時
可能帶來挑戰與潛在風險
至少對地球周邊長期、高密度使用而言是致命的
在火星等新開發區域
或軌道上物體不多的新殖民地部署
它們可能特別有優勢
現在我們來講 旋轉天鉤
顧名思義，它是 旋轉 的
是更短的簡化版太空電梯
旨在以動態高效的方式彌合通往軌道的差距
旋轉天鉤的基本概念是
它會旋轉
而非像傳統天鉤那樣單純懸掛
常規天鉤在其高度的運行速度低於軌道速度
而旋轉天鉤的旋轉運動
進一步降低了擺動底端相對於地面的速度
相反，在擺動頂端
旋轉會增加速度
讓它能以高速將太空飛行器向外拋出
旋轉天鉤在垂直平面內旋轉
類似摩天輪
而非隨意旋轉
事實上，為小行星採礦設計的更大版本
類似摩天輪與斗式挖掘機的結合體
可以查看我們關於採礦或拆解行星的科普
了解相關討論
旋轉天鉤的主要優勢在於其旋轉運動
能在向下擺動時為有效載荷提供額外動量
它將使用與天鉤相同的動量補充方法
但由於傳遞的動量更多
需要補充的動量也更多
不過它受到的大氣損耗補償更少
能更輕鬆地下降到更低高度
另一方面，因為它像流星錘一樣旋轉
繫繩會承受離心力帶來的額外應力
這種應力在旋轉底端達到最大
重力與旋轉的合力在此產生最大應力
尤其是在夾住飛行器將其送入太空時
旋轉天鉤的長度與轉速
可根據材料強度與重力進行調整
但通常需要比同等天鉤更短
其質心位於繫繩中點
即旋轉支點
這意味著它的軌道周期比天鉤更短
因為天鉤的質心更靠近頂端
此外，旋轉天鉤的受力段
是從中點到末端
而非像天鉤那樣是整個長度
旋轉天鉤也不需要在中點設置大型空間站
因為它不像天鉤頂端的空間站那樣是目的地
相反，旋轉天鉤的作用是
鉤住飛行器並將其旋轉甩入太空
中點僅用於增加質量
放置不會給繫繩帶來過大應力的設備
以增加總動量
讓鉤住飛行器時不會產生太大擾動
這裡的設備大概率主要是太陽能板與離子推進器
因為沒有必要配備大量輻射屏蔽或燃料庫
再次強調，這不是停靠港
旋轉天鉤越長、轉速越快
性能越好
但這也會顯著增加繫繩的應力
離心力隨長度增加而增大
但繫繩的一個關鍵優勢是可以設計成錐形
中間更粗、末端更細
以減少應力
錐形設計能將強度集中在最需要的地方
讓繫繩超過材料常規斷裂長度
例如，中間段支撐更多重量
下方分段承受的重量逐漸減小
想像一根繞地球運行的旋轉天鉤
長度2000公里
中點位於海平面以上1500公里處
這意味著其底端在最低點擺動時
僅距地面50公里
整個旋轉天鉤每106分鐘繞軌一圈
軌道速度為16400英里/小時
7.33公里/秒
由於地球在下方自轉
旋轉天鉤每114分鐘經過地面同一地點
為簡化計算，假設沿赤道做圓軌道
為與發射操作同步
我們希望旋轉天鉤的轉速是軌道周期的倍數
至少是一半
因為它有兩個末端
可以服務多個發射場
例如，它可以每11.4分鐘完成一圈旋轉
每圈軌道可下降10次
或者轉速更慢
比如每114分鐘一圈
以匹配經過頭頂的時間
大多數情況下，如果發射頻率不高
較慢的轉速就足夠
例如，每1145分鐘（9小時18分鐘）旋轉一圈
可能比較合理
但每25圈軌道旋轉一次
即隔天一次
可能太慢而不實用
對這類任務而言
更短、轉速更快的旋轉天鉤效果更好
對於旋轉天鉤
我們討論的旋轉周期快於軌道周期
除了輔助太空飛行器之外
旋轉天鉤還有其他可能的應用
可能適合更慢的轉速
舉例來說，14分鐘旋轉一圈的旋轉天鉤
末端速度為915米/秒
2500英里/小時
末端加速度僅為0.085G
意味著繫繩與任何附著的有效載荷
所承受的重量僅比正常情況高8.5%
這對繫繩與有效載荷來說
都是應力較低的系統
但效果不算特別顯著
整個旋轉天鉤因軌道運動
以7.3公里/秒（16400英里/小時）的速度移動
而地球赤道自轉速度為465米/秒（1400英里/小時）
當這些速度與末端速度疊加
對接所需的相對速度降至略低於6公里/秒
而常規入軌需要約8公里/秒
如果將轉速提高四倍
每29分鐘完成一圈旋轉
末端速度躍升至3660米/秒（8200英里/小時）
這將對接速度降至3200米/秒
與5000公里長的天鉤效果相當
然而，末端加速度增加到1.37G
意味著旋轉底端的末端
承受的重力與重量是正常情況的2.37倍
重要的是，這個系統僅需1000公里長的繫繩
而非5000公里
成為更緊湊、潛在更可行的替代方案
如果將轉速提高到每圈軌道旋轉7次
末端速度升至6400米/秒（14300英里/小時）
對接速度降至約930米/秒
或赤道處465米/秒
約1000英里/小時
然而，繫繩將承受4.2G的離心力
進一步提高到8圈旋轉
加速度增至5.5G
外加地球重力
末端速度提升至7.32公里/秒（16374英里/小時）
在這個速度下
末端相對於地球表面
除極點外會向後移動
速度太快，至少在地球上不實用
我們可以想像
在比地球稍大的人類殖民星球
或某個外星文明所在的星球上
這會非常實用
7圈旋轉的版本
用適合5000公里天鉤的材料即可實現
它能讓普通高超音速飛行器
在50公里（30英里）高度與之對接
這對吸氣式噴氣發動機來說更容易實現
然而，這種設置存在挑戰
因為繫繩每隔約16分鐘
就會高速沖入相對稠密的大氣層約一分鐘
更低的速度有幫助
但狹窄的對接窗口進一步增加了複雜性
我們也無法像天鉤那樣
實際將繫繩升降
以縮短穿越大氣層的時間
因為這會增加更多應力
旋轉天鉤的另一個關鍵優勢
是它能提供極高的發射速度
當太空飛行器在250公里高空的頂端對接時
飛行速度將達到13.7公里/秒
而該高度的軌道速度僅為6.88公里/秒
這讓它能擺脫地球引力場
前往月球或更遠的地方
然而，頻繁沖入大氣層會大量損耗動量
讓系統在更高高度或無大氣天體上效率更高
但這也限制了與更高效的吸氣式噴氣發動機協同使用的機會
例如，在月球或水星上
旋轉天鉤可以直接降至表面
從固定平台抓取貨物艙
並在無大氣干擾的情況下發射
在火星上也能很好地工作
因為火星大氣層更稀薄，阻力更小
另一種方法是採用偏心軌道
旋轉天鉤每圈橢圓軌道僅兩次沖入大氣層
軌道其餘部分遠高於大氣層
你還可以結合多種技術
例如，伸入大氣層的天鉤
可以與上方的旋轉天鉤配對
為駛離的太空飛行器提供高發射速度
或者旋轉天鉤負責低大氣層對接
再由天鉤或另一台旋轉天鉤
增加更多速度
在之前的天鉤講解中
我們討論過傳統旋轉路徑
比如心臟線旋轉天鉤
以及串聯繫統
比如天鉤下方懸掛旋轉天鉤
甚至旋轉天鉤末端再連接一台旋轉天鉤
這些串聯旋轉天鉤的設計目的
是降低繫繩的離心力應力
採用轉速更慢的主繫繩
末端搭配更短、轉速更快的次級繫繩
雖然這些配置理論上能減輕應力
但將兩根旋轉繫繩結合
帶來了巨大的實際工程挑戰
短期內不太可能實現
我認為旋轉天鉤在無大氣天體上
比天鉤更有優勢
因為沒有空氣阻力
而且大多數這類天體的重力更低
讓繫繩能承受更大應力
然而在金星上
棲息地必須漂浮在雲層中
重力略弱於地球
天鉤似乎是更好的選擇
尤其與漂浮在大氣中的質量投射器配合使用時
總的來說，這兩種系統都能與質量投射器很好地配合
它們還能解決小型衛星
或自轉緩慢行星的太空電梯難題
因為它們不需要與地面保持相對靜止
所以在那些繫繩可能需要長達一百萬英里才能工作的地方
或沒有穩定地球同步軌道
或時鐘軌道的衛星周圍
都不會有問題
除地球之外
天鉤與旋轉天鉤都能提供可觀的運輸能力
但受限於動量補充速度
以及願意部署的數量
不過你可以從地外獲取推進劑
比如在月球上製造火箭燃料
用它讓天鉤更快補充動量
儘管效率會降低
它們在管理軌道碎片方面也存在挑戰
因為它們會掃過大片太空區域
一旦受損或偏離軌道
可能從天鉤變成「太空鞭」
甚至成為武器
這個話題我們改天再聊
接下來我們講 太空梯
在結束今天的繫繩系統討論前
我們簡要介紹一下
除太空電梯外
太空梯的工作方式與另外兩種截然不同
但擁有一些巨大優勢
具體來說，太空梯完全不需要運載火箭
可以在地球上幾乎任何地點運行
太空梯依靠 主動支撐
原始的雅各布天梯概念
由保羅·伯奇在20世紀80年代初
關於軌道環的論文中提出
有趣的是，伯奇將繫繩末端的掛鉤稱為天鉤
正如我們之前提到的
這個術語的定義一直比較寬泛
熟悉軌道環的人都了解其設計
但今天我們不深入探討
軌道環的基本理念是
在太空中建造一個巨大的金屬環
包裹在空心管內
並讓兩個組件以不同速度旋轉
系統通過磁懸浮保持穩定
只要內環與外環的合動量
滿足特定高度的軌道要求
結構就能保持原位
無論組件相對速度如何
更大版本的軌道環
可以支撐不可思議的壯舉
包括建造整個行星
但今天我們專注於更簡單的設計
一個纖細的軌道環
每天旋轉一圈
使其相對於地球保持靜止
環內的組件旋轉速度
遠高於該高度的軌道速度
因此整個結構能保持在空中
並大致與地面相對靜止
在赤道地區，這種設計能完美運行
這就是天鉤發揮作用的地方
保羅·伯奇在碳納米管或石墨烯出現之前
就提出了他的想法
即使凱夫拉在當時也是相對較新的材料
要讓軌道環真正保持靜止
要麼直接位於赤道正上方
要麼傾斜一定角度並固定在地面
後者需要額外的工程設計與更堅固的纜繩
考慮到我們已經在討論超過100英里長的纜繩
伯奇可能認為
只需傾斜軌道環
讓歲差緩慢環繞整個行星即可
這種方法的額外好處是
一個環就能服務全球大範圍區域
一個環服務所有區域
天鉤可以從軌道環上垂下
以常規飛機速度移動
將空氣阻力降至最低
這些掛鉤可以懸得足夠低
讓飛機與之對接
實現高效絞升貨物或乘客到軌道環
返程可能頻率更低
並經過精心協調
以回收貨物或乘客
可以在軌道環周圍分布多個天鉤
確保大範圍區域的持續通行
關於動量補充
軌道環會在行星陰影中度過大量時間
默認情況下
它們的位置足夠低
在大氣層內
能獲得一定的防輻射與微流星體保護
可以在軌道環上安裝太陽能板
通過加快內環旋轉速度補充動量
我們還可以從內環獲取動量
用於發射太空飛行器
但這個話題我們留到下次
你還可以將軌道環
與更常規的天鉤或旋轉天鉤配合使用
進一步提升物體高度
甚至在更外側安裝另一個軌道環
或者在軌道環上安裝質量投射器
實現更多功能
然而，基於我們在其他場景中討論的繫繩強度
你可以採用另一種方法
不使用天鉤
而是將繫繩向下延伸至地面
通常像拉索一樣傾斜
將軌道環牢牢固定
防止歲差
還可以在這些繫繩上鋪設電力與通信線路
這種方法的基礎設施更密集
但優勢無可比擬
它允許攀爬纜繩
從軌道環周圍的寬帶區域傾斜延伸
寬度可能達數百英里
這些攀爬裝置可以將乘客與貨物
從城市內部直接運送到軌道環
產生的噪音不比火車大
甚至更小
所需加速度也與火車相當
完全不需要機載燃料
只需空氣儲備箱
以及以防繫繩斷裂的降落傘
這種設置是每日運送大量人員
與海量貨物往返太空的終極解決方案
你可以在略有不同的高度與角度
建造數百個大型環
用短繫繩相互連接
這些環可以服務地球上任何地點
提供從城市中心直達太空的低能耗通道
從那裡，超高速真空列車
可以將軌道環與其他
連接地球任何地面的繫繩相連
實現比飛機更快、成本更低的全球旅行
然而，這是一種重型基礎設施解決方案
很可能要等到數萬人定期往返太空時
才會實施
除了單純建造太空塔之外
還有其他創建太空梯的方法
例如，你可以使用專門設計的洛夫斯特倫環
懸掛繫繩
讓旋轉天鉤或太空飛行器
在進入大氣層上方後使用
軌道環與洛夫斯特倫環也不一定是圓形的
你可以設計一個
一端接觸地面
另一端遠地點到達地球同步軌道高度的環
這些結構也可以分層建造
一個環位於100英里高空
另一個在200英里
然後是300英里，依此類推
隨著遠離地球
數千英里的更大間距變得更可行
在這座太空梯上形成一系列台階
供人們攀爬進入軌道
這些設計的成本都不算特別高
成本主要取決於繫繩材料
如果使用碳基材料
成本可能相對較低
主要開銷在於將第一根繫繩發射入軌的成本
總而言之
天鉤、旋轉天鉤與太空梯等繫繩系統
代表著人類進入太空方式的革命性飛躍
這些概念從簡單繫繩到先進軌道環
提供了可規模化、可持續、低成本的方法
將人員與貨物送入軌道及更遠空間
既可獨立使用
也可與成熟技術協同
藉助先進材料、創新設計與物理原理
我們減少對傳統火箭的依賴
讓火箭在必要時更便宜、更易建造
並向數百萬人開放太空
儘管這些技術需要大量前期投資與基礎設施建設
但其長期潛力無可比擬
有望讓太空旅行
像今天的航空旅行一樣便捷
成為邁向真正太空文明的墊腳石