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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 [:1700036966]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火箭之外：天钩
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太空飞机也许不能让你直飞到月球，但它们可以让你飞得足够高，到达天钩所在地……被钩住。天钩（skyhook）是太空中的一种系绳系统，可以将货物运送到轨道上，成本仅为火箭发射的一小部分。让我们想象一下，一个巨大的平台在地球轨道上运行，就像卫星一样，只有一根缆绳和一个钩子悬挂在上面。当钩子以轨道速度经过时，如果太空飞机能够在准确的时间将有效载荷送到那个钩子上，有效载荷就会获得接近钩子的速度。现在，有效载荷不需要火箭就可以进入轨道了。这是天钩最简单的概念，目前在技术上是可行的。其基础版本——一根悬挂线、钩子或磁铁——被称作无旋天钩（nonrotating skyhook）。20世纪50年代，这一方案在1000英尺高的传统飞机上成功进行了测试，这也许更容易想象。该系统被称作富尔顿地对空回收系统（Fulton Surface-to-Air Recovery System，STARS），由美国中央情报局（CIA）、空军和海军共同研发，用于回收地面人员。在这种应用场景下，被救援者会收到一个空投的包裹，其中包括一个未充气的气球、一罐氦气、一套防护服和一个背带。被营救的人 给气球充气，上升到一个合适的高度，然后一架飞机俯冲下来，钩住装置。或许令人惊讶的是，然后这个人的速度就慢慢地、逐渐地接近了飞机的速度，一旦线被拉紧，就会像一条上钩的鱼一样被拉上去。[48] 我们还不知道在现实生活中的紧急情况下是否使用过这种方法，但这就是中央情报局、空军和海军的一贯作风——有了聪明点子，拨款，测试，以防万一。
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至于无旋天钩，其钩子就是一根悬挂在大气层边缘的长线，悬挂于一个在近地轨道上以轨道速度运动着的平台上。平流层气球或太空飞机可以将货物甚至载有乘客的太空舱吊到经过的吊钩上，然后再用吊钩拉到天基平台上。一个更加动态的系统是旋转天钩。你可以想象一下行进乐队指挥手里挥舞着的指挥棒。现在把它放大成一根4英里长的粗缆绳，在太空中像指挥棒一样旋转，并且以轨道速度运动着。其旋转方向垂直于轨道方向，这样缆绳前端就可以到达大气层的上层，然后再回到太空。被缆绳钩住的货物会被卷上去，获得轨道速度，然后当缆绳前端与钩住货物的位置形成180度角的时候，货物就会被释放。
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20世纪90年代，波音公司测试了一种名为“高超音速飞机太空系绳轨道发射系统”（Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch，HASTOL）的天钩。波音公司并没有建造真正的天钩，而是进行了模拟实验，发现具有所需拉伸强度的材料［例如凯夫拉纤维、柴隆纤维（Zylon）和超高分子量聚乙烯］可以大量生产，制造出所需长度和粗度的缆绳。我们有高超音速飞机以理想的高度和速度到达缆绳。研究发现，旋转指挥棒，应该更确切地叫作动量交换系绳，即便在100千米的高度，以4千米/秒的速度钩上有效载荷后也不会坠向地球。该报告的作者说：“我们不需要像‘巴克敏斯特·富勒碳纳米管’这样的神奇材料来制造HASTOL系统的太空系绳设施。现有的材料就足够了。”[49]
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基本的天钩或太空系绳系统可以巧妙地用菊花链的方式连接起来，这样就可以巧妙地把货物运送到更高、更远的太空。近地轨道上的一个目的地可能是巨大的在轨航天港。以目前的技术，你可以从地球上的某个航天港开始你的月球之旅，乘坐一架无须火箭发射的太空飞机飞到一处天钩，然后被吊到或拖到在轨航天港。从在轨航天港——以10千米/秒的速度运行，就像ISS一样——你可以转乘一艘外观光洁圆滑的宇宙飞船飞向月球。这种宇宙飞船完全在太空中运行，永远不会在地球或月球上着陆，因此不需要大量燃料来克服它们的引力井。再通过月球附近的航天港，降落到月球表面。该系统的每个元素——太空飞机、天钩、航天港和宇宙飞船——都可以重复使用，就像飞机和机场一样，大大降低了进入太空的成本。
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那么，如果技术可行，我们为什么不这样做呢？就像太空中的其他东西一样，有一个令人讨厌的难题——第22条军规。为了使该系统具备成本效益，我们每年需要进行数以千计的人类太空旅行。目前还没有这样规模的需求。
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一个天钩基础设施将花费多少还是一个未知数。需要多年的研究和开发。一个小小的ISS就花费了1000亿美元，考虑到错误的规划导致了高成本，拿ISS来做比较也许不太恰当。但5000亿美元是一个合理的估计，这笔费用与美国州际高速公路系统的成本相当。一旦建成，把货物送入太空的价格可能会从目前的每磅1万美元降至100美元，甚至10美元。一个简单可行的HASTOL系统 就可以将太空旅游的花费从几千万美元降低到6万美元。[50]
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太空居民：人类将如何在无垠宇宙中定居 火箭之外：太空电梯、轨道环以及通天塔
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电梯往上走，一路向上。太空电梯就像一个天钩，只有缆绳向下延伸并连接到地面。终端平台在太空深处。整个系统靠离心力拉紧。火箭方程式的发明者齐奥尔科夫斯基在19世纪末提出了这个概念。听起来很遥远，确实如此。目前还没有足够结实的缆绳可以把这个装置固定在合适的位置上。不过，让我们暂时把可行性放在一边。
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太空电梯将为我们进入太空提供迄今为止最便宜的通道，一旦系统建成，可能只需要每磅几美元。你只需要把货物系在缆绳上，就可以把它送到位于地球静止轨道的平台上。在地球静止轨道上，平台将保持在地球某一点的上方，与它下面的地面同步旋转。乘太空电梯可能需要几天时间，因为你需要爬升22000英里（36000千米）。巧合的是，这几乎相当于绕赤道一周的距离；而且，就像传统电梯一样，你爬得太快它就会不稳定。但愿电梯里没有音乐。不过，电梯爬升所需的能量微不足道。一旦到达终点，你就进入了地球静止轨道，以3千米/秒的速度移动，也就是地球的自转速度。从地球静止轨道上，只需要很少的能量就可以走得更远，通过宇宙飞船到达月球甚至火星。
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艺术家想象的太空电梯
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在距地球36000千米的地球静止轨道上，缆绳被配重或终端拉紧。这样的电梯在地球上很难建造（主要出于后勤和恐怖主义的原因），但可以在月球和火星上建造，用来运送人和货物。
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目前太空电梯在技术上几乎是不可能的。我们需要36000千米长的缆绳。在如此长度和质量所产生的重量下，目前所知唯一不会断裂的纤维是碳纳米管。碳纳米管纤维的强度至少是钢的117倍，是凯夫拉纤维的 30倍。[51] 但是，迄今为止，最长的碳纳米管只有半米，与一根太空电梯缆绳所需要的36000千米相去甚远。还有很多工作要做，要坚持下去。即使我们有办法大量制造廉价的碳纳米管纤维，但我们还有一个问题，那就是把电梯的缆绳放在哪里。这个 地点要确保不会受到飞机的撞击，更重要也更困难的是，不会受到恐怖活动的袭击。如果我们能做到，接下来还要担心轨道上成千上万的物体，统称为太空垃圾——大部分是被废弃的卫星。它们中的每一个都可能与太空电梯相撞，绝对没有办法控制。因此，尽管技术不断进步，但我们在地球上几乎不可能拥有太空电梯。然而，在月球和火星上，太空电梯是一个非常有吸引力的选择。就目前而言，不会有恐怖主义的担忧。而且，由于月球和火星上的引力较弱，缆绳不需要像在地球上那样坚固，所以电梯也更容易建造。
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对于地球来说，建造轨道环可能更实用，实质上就是一个环绕赤道的磁悬浮铁路系统，只不过是在近地轨道上。[52] 这将是一项工程奇迹，它不需要像碳纳米管这样的神奇材料。你可以想想土星的光环，只不过换成金属的罢了。可以一段一段地建，直到金属环完全环绕地球，大约300千米高，40000千米长。如果将金属环的速度设定为轨道速度，它将无限期地绕轨道运行，就像前面提到的被称为太空垃圾的金属块一样。电流通过金属环时，就可以把它变成磁铁。此时你就可以把固定的平台或管道悬停在金属环的上方或周围。这就像反过来的磁悬浮列车，轨道在移动，车厢却是静止的。你可以建造带有保护穹顶的很宽的平台，人们可以在那里生活或工作，这取决于磁场的强度。在这个平台上，你并不在轨道上。你只是在轨道高度，但不具有轨道速度。是你脚下的磁环在轨道上以10千米/秒的速度旋转，而你却在一个坚实的平台上悬浮着，静止不动，感受着几乎100%的地球重力。从环上下来，你就会掉到地面上（穿着合适的保护装备和降落伞也许能活下来）。
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你可以通过低垂到地面的缆绳到达平台，缆绳有助于稳定整个结构。
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轨道环的目的是提供进入太空的廉价途径。一旦轨道环建成，人类将能够轻松到达轨道平台，就像在地面上旅行300千米一样。你可以去那里一日游。你可以去那里欣赏美丽的景色。你可以当一名维护轨道环的工人，住在那里。或者你可以利用这个平台把自己送入更遥远的太空。宇宙飞船连接在状似火车的航天器上，在没有风阻的情况下，可以慢慢加速，奔向月球、火星或更遥远的地方。一旦达到适当的速度，飞船就能脱离火车，点燃自己的发动机，飞向星空。你也可以用该系统将大量的东西送入太空，比如太阳能电池板。人类可以利用太空中的太阳能电池板收集我们需要的所有能量，以微波的形式传送到地面发电站。利用这种无限能源的主要障碍，就是将所有这些太阳能电池板发射到太空的成本。[53] 用化学燃料驱动的火箭将这些太阳能电池板送到太空，要花费数万亿美元。轨道环倒是可以解决这个问题……它本身别这么贵就好了。与将大约20万吨物体送入轨道的费用相比，钢铁、铝以及凯夫拉纤维这些建筑材料的成本几乎可以忽略不计。但是这些材料也要花费1万亿美元以上，对于一项未经测试的技术 来说，尽管具有理论上的可能性，但付出的代价太大了。太空里的另一个第22条军规。
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与轨道环概念类似的是飘浮着的高空跑道。在风阻较小、大气较稀薄的情况下，运载火箭加速到极高速度时，这种跑道可以提供摩擦力以及类似火箭发射时的推力。现在，你可能已经对刚才描述中的“飘浮”部分产生了浓厚兴趣。跑道往往是不会飘浮的，但你可以通过“主动支撑”让它们飘浮。大多数结构是通过被动支撑来维持的，比如通过梁、桁架、拱，等等。主动支撑意味着对一个物体施加恒定的推力，比如一股气流托起一张薄薄的纸。理论上，一座桥可以用比空气还轻的气球来支撑。同样，一条轨道跑道可以用一系列高空气球吊起来并保持在空中，最高可达50千米。虽然这个高度低于100千米的太空分界线（卡门线），但这个高度已经足够，因为从这里可以很容易地加速到轨道速度。太空飞机可以飞到这条跑道上，将乘客或货物转移到等待着的飞船上。或者，货物可以同跑道一起飘浮上去，一旦到达合适的高度就可以发射出去。然而，为了使这种方法切实可行，我们需要想办法让气球升得更高，然后把它们固定在某个位置上，这个概念叫作位置保持（Station-keeping）。2018年8月，NASA的一个团队让一个超薄气球飞到了新墨西哥州上空48.5千米的高度，将气球的高度纪录提高了8千米。[54]
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还有很多火箭替代方案，都是可行的，但都需要大量的投资。一个限制因素可能是维护。桥梁会垮塌，摇摇欲坠的太空基础设施的的确确也是一种威胁。但是仅仅因为噪声这个原因，太空旅行很可能就无法通过火箭发射来完成。火箭可以变得更便宜，但它们不会变得更安静。为了建立可持续的太空经济，我们需要将数百万人、物资和建筑材料送入太空，每天需要发射数千次。有10万个航班将数百万名乘客送往世界各地……是每天。这个数据会惊掉人的下巴。乘火箭进出太空，这种交通方式制造出的噪音会让人傻掉，也会让地球傻掉。
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预测
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到21世纪20年代中期，运载火箭飞行将变得更便宜，从而进一步推动太空需求；第一家太空旅馆将于2025年开业，此后不久将拍摄第一部太空音乐视频和电影片段；太空飞机逐渐成熟，到2030年将有几家公司提供每周飞往太空旅馆的航班，或到地球另一端的1小时飞行；发射成本不断降低，在近地轨道的失重和真空环境中加工制造独特的商业产品可以盈利；到21世纪30年代，太空将是富人们的热门旅游目的地；到21世纪30年代，发射和降落时的噪声问题将会凸显出来，但除了将航天港限制在偏远地区，比如建立深海港口，没有别的解决方案；到2050年，将在地球和月球附近建立起几个大型的在轨飞船造船厂和配送中心；到2050年，将建成第一个具有人造重力并有人员常驻的大型在轨太空度假村；经过几十年的规划和制造，第一个轨道环将在22世纪初投入运转；大型在轨城市将在22世纪中叶建成，其中许多是退休社区。
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