在模型概念圖中，這個(gè)升降機(jī)將能夠攜帶多達(dá)13噸的貨物進(jìn)入太空，由激光束推動(dòng)。

圖片由電梯港集團(tuán)提供

1981年4月12日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空，開(kāi)始第一次航天任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用航天器的夢(mèng)想。至今，美國(guó)宇航局已經(jīng)發(fā)射了100多個(gè)成功執(zhí)行任務(wù)的航天器，但價(jià)格變浮動(dòng)空間不大。無(wú)論是航天飛機(jī)還是不可重復(fù)使用的俄羅斯航天器，發(fā)射的成本約為每磅10000美元（每千克22000美元）。

正在開(kāi)發(fā)的一種新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)可以使前往地衛(wèi)星軌道（GEO）的旅行被提上日程，并推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)。

由碳納米管復(fù)合材料帶制成的太空升降機(jī)固定在海上可移動(dòng)平臺(tái)上，它可以延伸到大約62000英里（100000公里）的空間中。然后，連接在升降帶上的機(jī)械升降機(jī)將載入升降帶，將貨物和人送入太空，價(jià)格僅為每磅100至400美元（每公斤220至880美元）。

在本文中，我們將了解太空電梯的概念是如何從科幻小說(shuō)走向現(xiàn)實(shí)的。

太空電梯傳送帶太空升降機(jī)末端的輜重將使碳納米管帶保持拉緊狀態(tài)。

圖片由電梯港集團(tuán)提供

為了更好地梳理太空電梯的認(rèn)識(shí)，可以比作一個(gè)游戲，游戲中繩子一端系在桿子上，另一端系在球上。在這個(gè)類(lèi)比中，繩子是碳納米管復(fù)合材料帶，桿子是地球，球是輜重?，F(xiàn)在，想象一下，球一直繞著桿子旋轉(zhuǎn)，速度加快，以至于繩子繃緊。這是太空電梯的總體構(gòu)思。配重繞地球旋轉(zhuǎn)，使纜繩保持筆直，并允許機(jī)器人升降器在鋼帶上上下移動(dòng)。

根據(jù)LiftPort（電梯港集團(tuán)）提出的設(shè)計(jì)，太空電梯的高度約為62000英里（100000公里）。LiftPort是為太空電梯或其部件開(kāi)發(fā)計(jì)劃的幾家公司之一。在2006年10月于新墨西哥州拉斯克魯斯舉行的X大獎(jiǎng)杯上，來(lái)自世界各地的團(tuán)隊(duì)爭(zhēng)奪了獎(jiǎng)金達(dá)40萬(wàn)美元的太空電梯比賽一等獎(jiǎng)。

電梯的核心是碳納米管復(fù)合材料帶，它只有幾厘米寬，幾乎和一張紙一樣薄。1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管使科學(xué)家們相信可以作為太空電梯建筑材料。據(jù)太空基金會(huì)的布拉德利·愛(ài)德華茲博士（Bradley Edwards）說(shuō)，“以前材料制造挑戰(zhàn)太大，但現(xiàn)在我們已經(jīng)接近了創(chuàng)造碳納米管的新階段，以及在制造機(jī)器中可以通過(guò)大量的材料來(lái)訂制一款能延伸到外太空的升降帶。根據(jù)一些早期計(jì)劃，剩余的建筑材料將用于加工成配重。

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碳納米管的強(qiáng)度可能是鋼的100倍，并且像塑料一樣柔韌。碳納米管的強(qiáng)度來(lái)自其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，類(lèi)似足球。一旦科學(xué)家們能夠用碳納米管制造出纖維，就有可能為太空升降機(jī)制造出升降帶。以前可用的材料太弱或不靈活，無(wú)法形成色帶，很容易斷裂。

LiftPort Group的研究總監(jiān)湯姆·紐金特（Tom Nugent）說(shuō)：“它們的彈性模量非常高，抗拉強(qiáng)度非常高，從理論上講，所有這些都表明了一種材料可以使太空電梯相對(duì)容易建造。”。

功能區(qū)可以通過(guò)兩種方式構(gòu)建：

?長(zhǎng)碳納米管——幾米長(zhǎng)或更長(zhǎng)——將被編織成類(lèi)似繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長(zhǎng)的納米管仍然只有幾厘米長(zhǎng)。

?較短的納米管可以放置在聚合物基體中。當(dāng)前的聚合物不能很好地與碳納米管結(jié)合，這導(dǎo)致在施加張力時(shí)，基體被從納米管上拉開(kāi)。

一旦一條長(zhǎng)的納米管帶被制造出來(lái)，它將被卷繞成一個(gè)線(xiàn)軸，然后發(fā)射到軌道上。當(dāng)攜帶線(xiàn)軸的航天器到達(dá)一定高度時(shí)，可能是近地軌道，它將開(kāi)始解制冷，將升降帶降回地球。同時(shí)，滑閥將繼續(xù)向高空移動(dòng)。當(dāng)升降帶被放入地球大氣層時(shí)，它將被下降并固定在海洋中的移動(dòng)平臺(tái)上。

這條升降帶將作為一條通向太空的鐵路的軌道。然后用機(jī)械升降器將升降帶提升到太空。

太空電梯的性能如何

如果建成，這條升降帶將代表一個(gè)現(xiàn)代世界奇跡，并將成為有史以來(lái)最高的建筑。歷數(shù)世界上最高的獨(dú)立塔在2005年屬于加拿大多倫多的CN塔，為全加拿大最高，達(dá)1815英尺5英寸（553.34米）的國(guó)塔。太空電梯則將比CN塔高180720倍！

這架62000英里（100000公里）長(zhǎng)的太空電梯將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于航天飛機(jī)的平均軌道高度（115-400英里/185-643公里）。事實(shí)上，它幾近于到月球距離的四分之一，月球繞地球運(yùn)行總長(zhǎng)237674英里（382500公里）。

乘坐太空電梯到達(dá)山頂

在升降機(jī)兩端的攀巖者將以大約200英里/小時(shí)的速度卷起升降帶。

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雖然升降帶仍然是一個(gè)概念組件，但太空升降機(jī)的所有其他部件都可以使用已知技術(shù)制造，包括[UNK]機(jī)器人升降器、[UNK]錨地[UNK]和[UNK]動(dòng)力光束系統(tǒng)。到升降帶建成時(shí)，其他組件將在2018年左右準(zhǔn)備就緒。

電梯

機(jī)器人升降機(jī)將使用升降帶引導(dǎo)其升空。升降機(jī)上的牽引踏面滾輪將夾緊復(fù)合材料合管帶并將升降帶拉過(guò)，使升降機(jī)能夠牽引載入升降帶。

站寬

太空升降機(jī)將來(lái)自赤道太平洋的一個(gè)海上可移動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)將把帶狀物固定在地球上。

配重

在升降帶的頂部，將有一個(gè)起平衡作用的配重。早期的太空升降機(jī)計(jì)劃包括捕獲一顆小行星并將其用作配重。然而，LiftPort和科學(xué)研究所（ISR）又最新計(jì)劃了包括使用人造配重等。事實(shí)上，配重可能是由用于制造升降帶的設(shè)備組裝而成，包括用于發(fā)射升降的航天器。

光束

升降機(jī)將由位于錨站或錨站附近的自由電子激光系統(tǒng)供電。ISR稱(chēng)，激光將向光伏電池發(fā)射2.4兆瓦的能量，光伏電池可能由連接在升降器上的砷化鎵（GaAs）制成，然后將該能量轉(zhuǎn)換為電能，供傳統(tǒng)鈮磁直流電動(dòng)機(jī)使用。

成功運(yùn)行后，升降機(jī)將實(shí)現(xiàn)每天載入太空電梯。升降機(jī)的規(guī)格將從最初的5噸到20噸不等。這個(gè)20噸重的升降機(jī)將能夠承載多達(dá)13噸的有效載荷，另有900立方米的空間。升降機(jī)將以每小時(shí)約118英里（190公里/小時(shí)）的速度運(yùn)送從衛(wèi)星到太陽(yáng)能電池板的實(shí)物，最終運(yùn)送人類(lèi)。

太空電梯維修

太空電梯帶將固定在赤道太平洋的一個(gè)海上可移動(dòng)平臺(tái)上。作為協(xié)調(diào)電梯避免軌道碎片系統(tǒng)的一部分，移動(dòng)平臺(tái)可以重新定位。

在長(zhǎng)達(dá)62000英里（100000公里）的太空電梯將容易受到許危險(xiǎn)因素的侵襲，包括天氣、空間碎片和恐怖分子。隨著太空電梯設(shè)計(jì)計(jì)劃的推進(jìn)，開(kāi)發(fā)商正在考慮這些風(fēng)險(xiǎn)以及克服這些風(fēng)險(xiǎn)的方法。事實(shí)上，為了維持至少一臺(tái)可運(yùn)行的太空電梯，開(kāi)發(fā)商計(jì)劃建造多個(gè)太空電梯。每一個(gè)預(yù)算上都比前一個(gè)便宜。第一臺(tái)太空電梯將作為建造更多太空電梯的平臺(tái)。在這過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員能確保一臺(tái)太空電梯遇到問(wèn)題，其他電梯也可以繼續(xù)將有效載荷提升到太空中。

避免空間碎片

太空升降機(jī)需要能夠避開(kāi)軌道物體，如衛(wèi)星碎片。錨定平臺(tái)將采用[UNK]主動(dòng)避讓[UNK]保護(hù)太空升降機(jī)不受此類(lèi)物體的影響。目前，北美航空航天防御司令部（NORAD）跟蹤的物體大于10厘米（3.9英寸）。保護(hù)太空升降機(jī)需要一個(gè)軌道碎片跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以探測(cè)到大約1厘米（0.39英寸）大小的物體。這項(xiàng)技術(shù)目前正在為其他空間項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。

LiftPort公司的湯姆·紐金特（Tom Nugent）說(shuō)：“我們計(jì)劃將升降帶固定在海洋中的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上?！薄！皩?shí)際上，你可以移動(dòng)錨，把升降帶與衛(wèi)星分開(kāi)?！?/p>

戰(zhàn)略性規(guī)避攻擊

太空電梯的孤立位置將是降低恐怖襲擊風(fēng)險(xiǎn)的最大因素。例如，據(jù)LiftPort公司稱(chēng)，第一個(gè)錨地將位于赤道太平洋，距離任何航線(xiàn)或航道至少404英里（650公里）。只有一小部分的太空電梯將暴露在攻擊范圍內(nèi)，即9.3英里（15公里）或以下。此外，太空電梯將是一種寶貴的全球資源，很可能受到美國(guó)和其他外國(guó)軍事力量的保護(hù)。

太空電梯撞擊

太陽(yáng)景觀的空間模型。

圖片由電梯港集團(tuán)提供

太空電梯的潛在影響正在與另一項(xiàng)偉大的交通成就——美國(guó)橫貫大陸鐵路（U.S.TranscontinentalRailway）相比較。這條鐵路線(xiàn)于1869年在猶他州的海角完工，第一次連接了該國(guó)的東西海岸，加速了美國(guó)西部的移民?？鐕?guó)旅行從幾個(gè)月減少到幾天。它還開(kāi)辟了新市場(chǎng)，催生了全新的產(chǎn)業(yè)。到1893年，美國(guó)有五條橫貫大陸的鐵路線(xiàn)。

太空電梯的想法與橫貫大陸的鐵路有許多相似。太空電梯將創(chuàng)建一個(gè)永久的連接地球到太空的通道，不會(huì)關(guān)閉。雖然它不會(huì)使太空之旅更快，但它會(huì)使太空之旅更加頻繁，并將為太空開(kāi)辟一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。也許推動(dòng)太空升降機(jī)想法的最大因素是它將大大降低將貨物送入太空的成本。雖然比化學(xué)推進(jìn)的航天飛機(jī)速度慢，但升降機(jī)將發(fā)射成本從每磅10000美元到20000美元不等，折合每磅約400美元。

據(jù)《太空電梯，NIAC第二階段最終報(bào)告》的作者布拉德利·愛(ài)德華茲（Bradley Edwards）的說(shuō)法，目前估計(jì)建造太空電梯的成本為60億美元，法律和監(jiān)管成本為40億美元。（愛(ài)德華茲也是低碳設(shè)計(jì)公司的總裁兼創(chuàng)始人布拉德利·卡爾·愛(ài)德華茲博士。），1971年，航天飛機(jī)計(jì)劃的成本預(yù)算為52億美元，但發(fā)生成本為195億美元。此外，每架航天飛機(jī)的飛行費(fèi)用為5億美元，超過(guò)最初預(yù)算的50多倍。

太空升降機(jī)可以取代航天飛機(jī)成為主要的太空交通工具，并用于衛(wèi)星部署、防御、旅游和進(jìn)一步探索。對(duì)于后一點(diǎn)，航天器將傳上電梯的傳送帶，然后在太空中向其主要目標(biāo)發(fā)射一次。這種類(lèi)型的發(fā)射耗費(fèi)的燃料比傳統(tǒng)飛出地球大氣層消耗的燃料要少。一些設(shè)計(jì)師還認(rèn)為太空電梯可以建造在其他行星上，包括火星。

美國(guó)宇航局資助了愛(ài)德華茲博士三年的研究。然而，在2005年，它只向研究太空電梯的公司提供了2800萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)。盡管公司仍然對(duì)這個(gè)項(xiàng)目非常感興趣，它更愿意心平氣和地坐觀進(jìn)一步發(fā)展。

注：海上移動(dòng)平臺(tái)即懸浮球載平臺(tái)，主要用于升降操作。十年前由來(lái)自華盛頓州塔科馬LiftPort開(kāi)始籌資設(shè)計(jì)。

BY: KEVIN BONSOR

FY:jane

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