正文 第264章 太空电梯
借助地球强大的磁层
可以通过电动系绳技术恢复动量
这需要在长系绳中通入电流
电流与磁场相互作用
通过洛伦兹力产生推力
推动系绳
以地球为例，磁层为这种相互作用提供稳定磁场
让系绳无需传统推进剂就能产生推力
虽然速度不快
但这种方法完全不需要推进剂
仅依靠电力
而太阳能板可以大量产生电力
这种长度的天钩
会有相当一部分时间处于地球阴影中
不到一半，但仍占可观比例
在阴影之外的时段
多余的太阳能可用于将空间站抬回原位
同时为电池充电
这种设置实际上比地球上的太阳能更高效
原因有几个
1不受阴天干扰
2处于阴影中的时间比地面太阳能阵列更短
3轨道周期仅需几小时
电池只需储存约14分钟的能量
而非半天
电动系绳与太阳能的结合
让天钩成为可持续、高效的系统
用于维持轨道动量与稳定性
天钩悬挂得越低
受到的空气阻力就越大
这部分动量也需要补充恢复
或许可以将天钩底端保持在卡门线以下
但悬停在常规飞机高度可能不可行
不过，如果能到达吸气式喷气发动机仍能工作的高度
效果会更好
探索星空从未如此简单
正如我们今天所见
科学为通往太空开辟了新路径
回到攀爬入轨的话题
或许可以将系绳最后一段降至空中
仅用于对接
不使用时再绞升回去
或者采用椭圆轨道
每圈轨道仅短暂进入较稠密的大气层两次
或两种方式结合使用
现在我们能建造比2000公里更长的天钩吗？
当然可以
石墨烯超级层压板的断裂长度为4200公里
即2600英里
在更高处会更长一些
因为重力开始减弱
断裂长度基于常规地球重力计算
重力减半，材料断裂长度翻倍
我们在太空电梯中详细讨论过这一点
当长度达到一定程度
你不妨放弃天钩
转而使用太空电梯
太空电梯无需动量补充
能让你直接从地面出发
和太空电梯一样
天钩在赤道地区效果更好
因为能最大程度借助地球自转的免费速度
但这并非必需条件
因此也能适配现有发射场
我认为5000公里长的天钩完全可行
这会让轨道周期仅增加到3个半小时
底端挂钩的速度约为3300米/秒
即7400英里/小时
值得注意的是，这大约是nasax-43的最高速度
也就是说，吸气式空天飞机完全可以可靠地与之对接
更低的速度会更理想
我们还能建造更长的天钩
但同样，此时已经接近太空电梯的适用条件
因为太空电梯真正的难点仅在于最低段的承重问题
稍后讲到旋转天钩时
我们会看到如何让末端速度更低
也会看到这些技术在其他低重力行星上的其他用途
关于这种天钩最后还有一点需要说明
它们不仅能与火箭、空天飞机或质量投射器协同使用
还能相互配合使用
你完全可以建造一根10000公里长的天钩
悬停在5000公里长的天钩上方
速度更慢
末端悬垂到下方天钩的空间站
该空间站会偶尔经过
然后你可以转移到这根更长的天钩上
继续向更高处爬升
不一定需要机载燃料
按需重复此过程即可
我们讨论太空梯时也会这样做
给它们加上可攀爬的梯级
天下没有免费的午餐
但与其在瞬间产生巨大推力
我们可以将其分散到很长一段时间
使用太阳能驱动的低推力、高效率发动机
这些发动机的部件承受的应力小得多
从而实现成本更低、工程更简单
灾难性故障风险更低的效果
非旋转天钩相对于其对应物——旋转天钩的主要优势
在于它不旋转
它只是一座不与地面相对静止的简化版太空电梯
这让与之对接变得容易得多
因为它的位置可预测
始终保持在同一高度
相比之下，旋转天钩像太空中的巨型流星锤一样摆动
在与轨道上其他物体交互时
可能带来挑战与潜在风险
至少对地球周边长期、高密度使用而言是致命的
在火星等新开发区域
或轨道上物体不多的新殖民地部署
它们可能特别有优势
现在我们来讲旋转天钩
顾名思义，它是旋转的
是更短的简化版太空电梯
旨在以动态高效的方式弥合通往轨道的差距
旋转天钩的基本概念是
它会旋转
而非像传统天钩那样单纯悬挂
常规天钩在其高度的运行速度低于轨道速度
而旋转天钩的旋转运动
进一步降低了摆动底端相对于地面的速度
相反，在摆动顶端
旋转会增加速度
让它能以高速将航天器向外抛出
旋转天钩在垂直平面内旋转
类似摩天轮
而非随意旋转
事实上，为小行星采矿设计的更大版本
类似摩天轮与斗式挖掘机的结合体
可以查看我们关于采矿或拆解行星的科普
了解相关讨论
旋转天钩的主要优势在于其旋转运动
能在向下摆动时为有效载荷提供额外动量
它将使用与天钩相同的动量补充方法
但由于传递的动量更多
需要补充的动量也更多
不过它受到的大气损耗补偿更少
能更轻松地下降到更低高度
另一方面，因为它像流星锤一样旋转
系绳会承受离心力带来的额外应力
这种应力在旋转底端达到最大
重力与旋转的合力在此产生最大应力
尤其是在夹住飞行器将其送入太空时
旋转天钩的长度与转速
可根据材料强度与重力进行调整
但通常需要比同等天钩更短
其质心位于系绳中点
即旋转支点
这意味着它的轨道周期比天钩更短
因为天钩的质心更靠近顶端
此外，旋转天钩的受力段
是从中点到末端
而非像天钩那样是整个长度
旋转天钩也不需要在中点设置大型空间站
因为它不像天钩顶端的空间站那样是目的地
相反，旋转天钩的作用是
钩住飞行器并将其旋转甩入太空
中点仅用于增加质量
放置不会给系绳带来过大应力的设备
以增加总动量
让钩住飞行器时不会产生太大扰动
这里的设备大概率主要是太阳能板与离子推进器
因为没有必要配备大量辐射屏蔽或燃料库
再次强调，这不是停靠港
旋转天钩越长、转速越快
性能越好
但这也会显著增加系绳的应力
离心力随长度增加而增大
但系绳的一个关键优势是可以设计成锥形
中间更粗、末端更细
以减少应力
锥形设计能将强度集中在最需要的地方
让系绳超过材料常规断裂长度
例如，中间段支撑更多重量
下方分段承受的重量逐渐减小
想象一根绕地球运行的旋转天钩
长度2000公里
中点位于海平面以上1500公里处
这意味着其底端在最低点摆动时
仅距地面50公里
整个旋转天钩每106分钟绕轨一圈
轨道速度为16400英里/小时
733公里/秒
由于地球在下方自转
旋转天钩每114分钟经过地面同一地点
为简化计算，假设沿赤道做圆轨道
为与发射操作同步
我们希望旋转天钩的转速是轨道周期的倍数
至少是一半
因为它有两个末端
可以服务多个发射场
例如，它可以每114分钟完成一圈旋转
每圈轨道可下降10次
或者转速更慢
比如每114分钟一圈
以匹配经过头顶的时间
大多数情况下，如果发射频率不高
较慢的转速就足够
例如，每1145分钟（9小时18分钟）旋转一圈
可能比较合理
但每25圈轨道旋转一次
即隔天一次
可能太慢而不实用
对这类任务而言
更短、转速更快的旋转天钩效果更好
对于旋转天钩
我们讨论的旋转周期快于轨道周期
除了辅助航天器之外
旋转天钩还有其他可能的应用
可能适合更慢的转速
举例来说，14分钟旋转一圈的旋转天钩
末端速度为915米/秒
2500英里/小时
末端加速度仅为0085g
意味着系绳与任何附着的有效载荷
所承受的重量仅比正常情况高85
这对系绳与有效载荷来说
都是应力较低的系统
但效果不算特别显著
整个旋转天钩因轨道运动
以73公里/秒（16400英里/小时）的速度移动
而地球赤道自转速度为465米/秒（1400英里/小时）
当这些速度与末端速度叠加
对接所需的相对速度降至略低于6公里/秒
而常规入轨需要约8公里/秒
如果将转速提高四倍
每29分钟完成一圈旋转
末端速度跃升至3660米/秒（8200英里/小时）
这将对接速度降至3200米/秒
与5000公里长的天钩效果相当
然而，末端加速度增加到137g
意味着旋转底端的末端
承受的重力与重量是正常情况的237倍
重要的是，这个系统仅需1000公里长的系绳
而非5000公里
成为更紧凑、潜在更可行的替代方案
如果将转速提高到每圈轨道旋转7次
末端速度升至6400米/秒（14300英里/小时）
对接速度降至约930米/秒
或赤道处465米/秒
约1000英里/小时
然而，系绳将承受42g的离心力
进一步提高到8圈旋转
加速度增至55g
外加地球重力
末端速度提升至
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