太空争霸②：太空服务区（上）
大家好，欢迎来到《科幻的逻辑与脑洞》。上期我们分析了太空电梯不可能实现的原因，今天就奉上逍遥子独创的惊艳脑洞！
关键是速度增量
在推出新颖独特的脑洞之前，我们先简要梳理一下火箭上太空的原理，看看要在哪些关键环节上有所突破才行。
为了让离开学校太久的朋友们容易理解，具体的方程、公式和数理推算过程就不展示了。
别闹，我们不整这些吓唬人的玩意
没错，通俗形象的讲述个中道理，决不展示数理推算细节，就是我们这个系列的特色！
1、火箭消耗燃料产生推力，推动飞船由静止（速度为零）开始起飞，待到舰、船分离时，飞船就获得了一个向上的速度增加量（简称“速度增量”），飞出大气层、飞到外太空；
2、为什么我们向上扔个篮球最后会掉下来，飞船却能绕着地球继续飞呢？
原因是篮球飞到最高处时，消耗完了所有的速度增量，于是就被地球的引力给拉回来了，而飞船却是在飞到预定高度后，速度增量并没有消耗完，它很自律、很克制，不再继续往上飞了，而是把剩余的速度增量换了方向：“平着飞”
加之此时已经在外太空，大气阻力（几乎）没了，于是飞船就（几乎）不用再消耗剩余的速度增量，而这剩余的速度增量又正好等于第一宇宙速度，于是飞船就能一直飞，掉不下来了。
三级宇宙速度
3、不仅如此，飞船继续飞向月球、火星、木星，甚至飞出太阳系的过程，也都是一个：“消耗能源产生推力，推动飞船获得足够的速度增量，越飞越远，最终把速度动能转化为不同天体坐标系中（高度）势能的过程”。
好了，飞船能飞多高、多远，这个看似复杂高深的问题，被简化成了一个直观的结论：“飞船获得的速度增量大小，决定了它能飞到的最高、最远的位置（或轨道）。”
具体的数理推导就不说了，直接上结论，转一张现成的图谱如下：
常见轨道变化所需的速度增量（dV）图谱（不用记）
图中左下部的“LEO”是“近地轨道”（Low Earth Orbit），这是一个距地面高度不超过2000公里的轨道区域。
迄今为止，包括中国“天宫空间站”在内的所有载人空间站，以及大多数卫星，都在这个轨道区域的下端航行，这里距离地面只有大约400公里左右。
是不是比许多人想象的要低得多？原因很简单：低点省钱啊！
中国天宫号空间站（高度约400公里）
需要说明的是，图中标注的所有速度增量都是最低要求，就是说不能低于这个数值，低了就飞不到，高了当然可以，而且可以缩短时间，更快的飞到目的地。
借助天体引力弹弓的加减速和变轨（不用记）
只不过迄今为止，人类的飞船一般用的都是刚刚达标的速度增量，飞近处还凑合，耽误不了太久，要是飞远处，比如火星，或者更远的地方，就需要借助“天体引力弹弓”之类的外力，为此，飞行轨迹就只能绕各种大大小小的圈圈，多走成百、上千万公里
旅行者2号1977年8月20号发射，一路上借助木星、土星、天王星三次引力弹弓提速（获得额外的速度增量），历时12年，才在1989年8月15号飞到距地球29个天文单位的海王星（一个天文单位相当于地球和太阳的距离，约1.5亿公里，而太阳系的半径大约为：6万多个天文单位
总结一句话：速度增量是航天发射任务中最核心的指标（几乎没有之一），只要看一个任务所需的速度增量，就可以定性地估计该任务的难度。所以，产生速度增量的能力也就是运载火箭的核心指标之一。
坐稳扶好，脑洞开始了
太空服务区网络
请大家再一次看看这张图：
太空高速公路网
像不像一张太空高速公路网！我们地球上早就有一张更复杂的高速公路网，无论是客货运输还是自驾游，只要是长途，都离不开高速公路网上的服务区，每走几百公里，我们都会进入服务区，加油、吃喝、休整，然后去下一站服务区，再加油、吃喝、休整，如此这般，直到最终到达目的地。
可是现在的航天呢？好么，化学火箭从地球出发就一次性烧光燃料，然后舰、船分离，接下来飞船几乎是凭着惯性飞往遥远的太空深处目的地，途中不能休整，助力的手段也极少，自身可利用的的能量也非常微弱，这实在是太不合理了。
既然如此，我们可不可以借鉴地面上的模式，在这张太空高速航路网的众多节点上也建起太空服务区呢？
那样，飞船远航时就不需要携带大量笨重的燃料，轻装上阵，每一段航行都只需达到有限的速度增量，在航行中停靠沿途的服务区，根据需要“加注”下一段航程所需的速度增量。
同时，服务区还能建设配套的太空酒店、娱乐设施，这样不就把太空旅游搞起来了么，有了太空旅游之类的盈利，更大规模的太空商业开发就能形成正循环。假以时日，太空城、火星社区、太空采矿，甚至人类成为星际物种的梦想也自然会一步步实现。
没错， 我们的“太空服务区”就是这样的方案！
太空服务区第一站：LEO近地轨道站
下面从距离地面最近的LEO近地轨道站开始，讲述我们的太空服务区具体方案。
太空电梯示意图
太空电梯一般是这样的（上图），我们的太空服务区外观和太空电梯类似，但只是其中的一小截，就像下图这样的：上下两个大型环状结构是服务区设施部分，中间一段像迷你版太空电梯缆绳的，就是服务区的核心部分，不过这并不是升降舱缆绳，这是一个高度大约20公里的“电磁加速轨道”！
我们的太空服务区示意图
这个公众号就逍遥子一个人，精力有限，更没有美术编辑，暂时还做不了专门的方案图片之类，只能用现成的网图来说明自己的方案，大家只好将就点
没错，我们的太空服务区外观挺像太空电梯，只不过高度仅仅只有太空天梯的大约五千分之一（与《流浪地球2》里的太空电梯相比），和地面并不相连，当然也就不需要位于地面的基座；
航行高度和现在的空间站差不多，也处在距地面400公里以下的LEO近地轨道下端，不需要像太空电梯那样必须在赤道的上空，而是可以在从赤道到南北半球中低纬度的广阔区域，航行速度和载人空间站一样，大约一个半小时左右绕地球飞行一圈。
"电磁加速轨道"是服务区的核心，就像是地面服务区里的“加油站”，只不过它是给远航的飞船“加注速度增量”的。
包括电磁加速轨道在内，整个太空服务区的能源都来自“天基太阳能阵列”，而“天基太阳能阵列”就铺设在太空服务区的表面。
从地面飞上来的飞船停泊到服务区下部某个船坞码头后，飞船和火箭分离，火箭返回地面继续重复使用，飞船随后被牵引到电磁加速轨道下部的出发站台，做好出发准备。
电磁加速轨道示意图
一旦电磁加速启动，飞船就在轨道上以4个g（g是重力加速度，9.8米/秒²）的加速度持续加速（电磁加速度可调节，下文同），沿轨道一路加速上行，经过20公里4个g的加速，到达轨道顶部时，飞船已经获得了1250米/秒的速度增量（ΔV），然后飞船从顶部脱离，驶出“太空服务区”，向深空飞去，在耗尽速度增量（ΔV）之前，到达下一个更高、更远的“太空服务区”。
太空服务区：人类走出摇篮、遨游星海的加油站
逍遥子这个脑洞，虽然自认为符合基本的科学原理，在实用价值、工程可实现性，及性价比上都很划算，还有炫酷的科技未来感。
但科学是一个：“开放的、可证伪的系统”。个人的见识实在是太有限了，在此麻烦诸位，请诸位广为转发，尤其是转发给有航天相关背景、知识、爱好的亲朋好友，和群、组之类
只有经过广泛、专业的眼光质疑过，才是真的有价值。
卡尔·波普尔（Karl Popper，1902-1994）奥地利出生的英国哲学家
无论是科技的新知，还是科幻的新脑洞，都是在“大胆假设，小心求证”中绽放新枝的，即便最终发现方案有致命的错误，完全没有实现和值得借鉴的价值，也没啥大不了的，作为一个科幻的思想实验，也算是给大家带来不一样的体验和娱乐了
万一呢
在本系列开篇《科幻的逻辑与脑洞》中，逍遥子就说：
这是逍遥子心中最牛的科幻作品条件，你觉得呢？
诸位转发好了的话，我们就接着飞往下一站
缝隙轨道（Band Gap Orbit，BGO）服务区
以下蓝色斜体字是本级服务区选择的天文学简略解释，对枯燥的专业名词兴趣不大的读者可以跳过，不影响继续了解我们的惊艳脑洞。
在 LEO近地轨道之上，地球近层宇宙空间中有一个包围着地球的高能粒子辐射带，被称为：范艾伦辐射带，主要由地磁场中捕获的高达几兆电子伏特的电子，和高达几百兆电子伏特的质子组成。
两层范艾伦辐射带
范艾伦辐射带分为内外两层，内外层之间存在范艾伦辐射带缝隙，两层范艾伦辐射带内的高能粒子对载人空间飞行器、卫星等具有一定危害，但内外带之间的缝隙是辐射较少的安全地带；
目前一般认为范艾伦辐射带的纬度范围是南北纬40°~50°之间；高度范围分两段：内带1500~5000km，外带13000~20000km，其中，内辐射带稳定性非常好，但是外辐射带的变化幅度比较大大。
跳读结束
所以，第二级太空服务区有二个选择，要么设在范艾伦辐射带中间缝隙偏下部的位置上，比如距地面7000~9000公里的轨道上，要么就是避开南北纬40°~50°之间的高纬度区域，高度范围就可以宽一些，比如距地面6000~11000公里的轨道上。（不用记精确的位置，那是专业人员的活）
这个第二级太空服务区我们称为：“缝隙轨道服务区（Band Gap Orbit，BGO）。
这里的电磁加速轨道高度需要加长到100公里左右，飞船在这里以4个g（g是重力加速度，9.8米/秒²）持续加速，可以获得2800米/秒的速度增量（ΔV），足以飞到第三级太空服务区：位于地球同步轨道服务区（GSO，距离地面约3.6万公里）。
太空服务区网络示意图（部分，非实际位置和比例）
1、近地轨道站（LEO）距地面300多公里
2、缝隙轨道站（BGO）0.7~1.1万公里
3、地球同步轨道站（GSO）约3.5万公里
4、月球太空（Luna）站 38万公里
5、拉格朗日L2站 约150万公里
6、火星近地轨道站（LMO）>5500万公里
第三级太空服务区：地球同步轨道（GSO）站
这个服务区实际上位于地球同步轨道（GSO，距离地面35786公里）下面不太远的地方，原因有二：
一、位于地球同步轨道的物体和地球自转同步，受地球的引力已经不大，传统化学火箭脱离地球引力的任务到这儿也就完成的差不多了，这里承上启下的位置很好；
二、在地球同步轨道之上约2、3百公里，就进入了坟场轨道（Graveyard orbit）区域，许多航天器在工作寿命结束后就会进入坟场轨道，形成空间碎片和太空垃圾，我们的太空服务区总高度上百公里，靠近坟场轨道不安全，还是向下一些比较好。
在这个地球同步轨道太空服务区（GSO），电磁加速轨道的高度也应该比较长，比如100公里，使飞船在这里获得的“速度增量ΔV（2800米/秒）”，足以比较轻松地直飞许多不同的目的地，比如月球（Luna）、（日、地系统）拉格朗日L1~L5点等等，和现在“靠惯性航行绕若干大圈圈”的方式相比，少走大量的冤枉路，时间也快得多……
既然是点开了一棵全新的科技树，脑洞当然会很大，这才那到哪儿啊，您就再忍忍，我们下期接着细细聊
对了，别忘了多多转发，尤其给有航天、科幻相关背景、知识、爱好的亲朋好友，和群组之类哦
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