太空電梯的工作原理

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在這個(gè)藝術(shù)家的概念中，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)。更多的太空探索圖片。（圖源：LIFTPORT GROUP）

1981年4月12日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心升空，開(kāi)始了第一次航天飛行任務(wù)，也意味著可重復(fù)使用航天器的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了。從那以后，美國(guó)航天局已經(jīng)完成了100多次太空任務(wù)的發(fā)射，但航空任務(wù)的花費(fèi)變化不大。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，一次發(fā)射成本約為每磅1萬(wàn)美元（每公斤2.2萬(wàn)美元）。

正在開(kāi)發(fā)的一種新的空間運(yùn)輸系統(tǒng)可以使前往靜地軌道（GEO）的旅行變得更稀疏平常，并且能使全球經(jīng)濟(jì)有所改觀。

由碳納米管復(fù)合材料帶制成的太空電梯被固定在一個(gè)近海平臺(tái)上，由一個(gè)小型配重延伸至太空，長(zhǎng)約62000英里（100000公里）。然后，附著在纜帶上的機(jī)械升降器會(huì)沿著纜帶爬升，將貨物和人類送入太空，成本僅為每磅100至400美元（每公斤220至880美元）。

在這篇文章中，我們將了解到太空電梯的概念是如何從科幻小說(shuō)走向現(xiàn)實(shí)生活的。

太空電梯纜帶

太空電梯末端的配重物將使碳納米管纜帶保持緊繃狀態(tài)。（圖片來(lái)源：LIFTPORT GROUP）

為了更好地理解太空電梯的概念，我們聯(lián)想一種繩球游戲，繩子一端系在一根桿上，另一端系在一個(gè)球上。通過(guò)這個(gè)類比，那么繩子是碳納米管復(fù)合纜帶，桿是地球，球是配重物?，F(xiàn)在，想象一下，球不斷地繞著桿子高速旋轉(zhuǎn)，使繩子保持緊繃狀態(tài)。這就是太空電梯的大體構(gòu)想。配重物繞著地球高速旋轉(zhuǎn)，使纜帶保持繃直，自動(dòng)升降機(jī)在纜帶上上下移動(dòng)。

根據(jù)LiftPort提出的設(shè)計(jì)，太空電梯的高度大約為6.2萬(wàn)英里（10萬(wàn)公里）。LiftPort是為太空電梯及其零件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的幾家公司之一。來(lái)自世界各地的團(tuán)隊(duì)在2006年10月，新墨西哥州拉斯克魯斯，舉行的X獎(jiǎng)杯太空電梯比賽中爭(zhēng)奪40萬(wàn)美元的一等獎(jiǎng)。

電梯的核心部件是碳納米管復(fù)合材料纜帶，它只有幾厘米寬，幾乎和一張紙一樣薄。1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管讓科學(xué)家們相信太空電梯是可以被建造出來(lái)的。據(jù)太空發(fā)展基金會(huì)的布拉德利·愛(ài)德華茲博士說(shuō)：“過(guò)去，在材料方面面臨的挑戰(zhàn)太大了。但現(xiàn)在我們?cè)谥圃焯技{米管和建造相應(yīng)的機(jī)器方面已經(jīng)越來(lái)越先進(jìn)，這些機(jī)器可以將材料拉伸出足夠的長(zhǎng)度，用以制作延伸至太空的纜帶。”

根據(jù)一些早期的計(jì)劃，剩余的建筑材料將被用制作成配重物。（圖源：LIFTPORT GROUP）

碳納米管的強(qiáng)度可能是鋼的100倍，并且具有塑料的柔韌性。這種強(qiáng)度來(lái)源于其類似于足球的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。一旦科學(xué)家們能夠?qū)⑻技{米管制成纖維，就有可能制造出用于制作太空電梯纜帶的線。以前可用的材料要么強(qiáng)度不足要么就是柔韌度不夠，無(wú)法制成纜帶，而且很容易斷裂。

LiftPort集團(tuán)研究總監(jiān)湯姆·紐金特說(shuō)：“它們的彈性模數(shù)非常高，抗拉強(qiáng)度也非常高，這一切都說(shuō)明，這種材料理論上應(yīng)該能使太空電梯的建造相對(duì)容易一些。”

一條纜帶有兩種制作方式：

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• 將長(zhǎng)碳納米管——幾米長(zhǎng)或更長(zhǎng)，編織成類似于繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長(zhǎng)的納米管仍然只有幾厘米長(zhǎng)。

• 較短的納米管能被放置于聚合物基質(zhì)中。目前的聚合物不能很好地與碳納米管結(jié)合，這導(dǎo)致了碳納米管處于張力下時(shí)基質(zhì)被拉離。

如果一條長(zhǎng)碳納米管纜帶能被制造出來(lái)，它會(huì)被卷成一個(gè)線軸，然后送入軌道。當(dāng)運(yùn)載著線軸的宇宙飛船到達(dá)一定高度，比如低地球軌道時(shí)，它就會(huì)開(kāi)始解開(kāi)線軸，將纜帶一端下降放回地球。同時(shí)，線軸將繼續(xù)向更高的高度移動(dòng)。當(dāng)纜帶降到地球大氣層時(shí)，它會(huì)被捕獲，然后降落并錨定在海洋中的移動(dòng)平臺(tái)上。

這條纜帶可以作為一條通往太空的鐵路的軌道。而升降艙將沿著纜帶爬升進(jìn)入太空。

太空電梯有多高

如果能建成，太空電梯纜帶將代表一個(gè)現(xiàn)代世界奇跡，并將是有史以來(lái)最高的建筑。2005年世界上最高的獨(dú)立式塔是加拿大多倫多上空高達(dá)1815英尺5英寸（553.34米）的加拿大國(guó)家電視塔。太空電梯將比加拿大國(guó)家電視塔高180720倍！

6.2萬(wàn)英里（10萬(wàn)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，它將相當(dāng)于地月距離（237674英里/382500公里）的四分之一。

乘太空電梯登頂

升降艙將以每小時(shí)200英里的速度夾卷纜帶爬升。（圖源：LIFTPORT GROUP）

雖然纜帶仍然是一個(gè)概念性的構(gòu)造，但太空電梯的所有其他部件都可以使用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)建造，包括自動(dòng)升降艙、地面基站和激光動(dòng)力系統(tǒng)。到纜帶建成時(shí)，其他組件將在2018年左右的某個(gè)時(shí)候幾乎準(zhǔn)備好發(fā)射。

升降艙

自動(dòng)升降艙將利用纜帶的引導(dǎo)升入太空。升降艙上的牽引滾輪會(huì)夾住并拉動(dòng)纜帶，使升降艙能夠爬上電梯。

地面基站

太空電梯的起點(diǎn)將設(shè)置于赤道太平洋的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)將把纜帶固定在地球上。

配重物

在纜帶的頂部將裝有一個(gè)重量級(jí)的配重物。太空電梯的早期計(jì)劃包括捕獲一顆小行星并將其用作配重。然而，像LiftPort和科學(xué)研究所這樣的計(jì)劃，則準(zhǔn)備使用人造配重物。事實(shí)上，配重物可能是由制造纜帶的設(shè)備，包括用來(lái)發(fā)射纜帶的航天器，組裝而成的。

激光動(dòng)力系統(tǒng)

升降艙將由位于地面基站或其附近的自由電子激光系統(tǒng)提供動(dòng)力。據(jù)科學(xué)研究所，激光將向裝置于在升降艙上由砷化鎵制成的光伏電池發(fā)射2.4兆瓦的能量，然后光伏電池將能量轉(zhuǎn)換成電能，供傳統(tǒng)的鈮磁直流電機(jī)使用。

一旦投入使用，升降艙幾乎每天都可以爬太空電梯。這些升降艙的重量從最初的5噸到20噸不等。20噸重的升降艙將能夠承載多達(dá)13噸的有效載荷，并擁有900立方米的空間。升降艙將以每小時(shí)118英里（190公里）的速度爬升纜帶，運(yùn)載從衛(wèi)星到太陽(yáng)能電池板等各種貨物，以及人類。

太空電梯的維護(hù)

太空電梯纜帶將被固定在赤道太平洋的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上。作為幫助太空電梯避讓軌道碎片系統(tǒng)的一部分，移動(dòng)平臺(tái)可以重新定位。（圖源：LIFTPORT GROUP）

太空電梯長(zhǎng)6.2萬(wàn)英里（10萬(wàn)公里），所以容易受到許多危險(xiǎn)的影響，包括天氣、太空垃圾和恐怖分子。隨著太空電梯設(shè)計(jì)計(jì)劃的推進(jìn)，開(kāi)發(fā)者正在評(píng)估這些風(fēng)險(xiǎn)并尋求克服這些風(fēng)險(xiǎn)的方法。事實(shí)上，為了確?？傆幸徊刻针娞菘赏度牍ぷ?，開(kāi)發(fā)者計(jì)劃建造多部電梯。在建造成本上，每一部都比前一部便宜。第一部太空電梯將作為一個(gè)平臺(tái)，協(xié)助建造更多太空電梯。在這樣做的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員想要確保，即使一臺(tái)太空電梯遇到問(wèn)題，其他電梯也可以繼續(xù)向太空提供有效載荷。

躲避太空垃圾

與太空站或航天飛機(jī)一樣，太空電梯也需要能夠避開(kāi)軌道物體，如碎片和衛(wèi)星。地面基站將采用主動(dòng)避讓的方式保護(hù)太空電梯不受此類物體的影響。目前，北美航空防務(wù)司令部（NORAD）可跟蹤的目標(biāo)大于10厘米（3.9英寸）。而保護(hù)太空電梯需要一個(gè)軌道碎片跟蹤系統(tǒng)，可以探測(cè)大約1厘米（0.39英寸）大小的物體。目前其他太空項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

“我們的計(jì)劃是將纜帶固定在海洋中的移動(dòng)平臺(tái)上，”LiftPort公司的湯姆·紐金特說(shuō)，“實(shí)際上，你可以通過(guò)移動(dòng)地面基站把纜帶從衛(wèi)星軌道上拉下來(lái)?！?/p>

應(yīng)對(duì)恐怖襲擊

太空電梯的孤立位置將極大地降低恐怖襲擊風(fēng)險(xiǎn)。舉個(gè)例子，根據(jù)LiftPort的說(shuō)法，第一個(gè)地面基站將設(shè)置于赤道太平洋，距離任何航線或航道404英里（650公里）。只有一小部分的太空電梯在各類型攻擊范圍內(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)和其他國(guó)家軍事力量的保護(hù)。

太空電梯的影響

藝術(shù)家制作的太陽(yáng)視角概念圖。（圖源：LIFTPORT GROUP）

太空電梯潛在的全球影響可與另一項(xiàng)偉大的交通成就——美國(guó)橫貫大陸鐵路相比較。這條橫貫大陸的鐵路于1869年在猶他州的海角建成，第一次連接了美國(guó)的東西海岸，加速了美國(guó)西部的開(kāi)拓。橫跨全美的旅行從幾個(gè)月減少到幾天。它還開(kāi)辟了新的市場(chǎng)，催生了全新的產(chǎn)業(yè)。到1893年，美國(guó)已經(jīng)擁有了五條橫貫大陸的鐵路。

太空電梯的概念與橫貫大陸的鐵路有許多相同之處。太空電梯將創(chuàng)造一個(gè)永久并且永不關(guān)閉的地空連接。雖然它不會(huì)使太空旅行更快，但它會(huì)使太空旅行更頻繁，并將為太空發(fā)展開(kāi)辟一個(gè)新時(shí)代。也許推動(dòng)太空電梯項(xiàng)目的最大因素就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)速度要慢，但升降器能將發(fā)射成本從每磅10000~20000美元，降低到每磅約400美元。

據(jù)《美國(guó)國(guó)家航空航天局第二階段最終報(bào)告》的作者布拉德利·愛(ài)德華茲（也是Carbon Designs的總裁和創(chuàng)始人）介紹，當(dāng)前的估算顯示，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?？梢詫?duì)比參考的是，航天飛機(jī)計(jì)劃在1971年預(yù)計(jì)成本為52億美元，但最終耗資195億美元，此外，每架航天飛機(jī)的飛行費(fèi)用為5億美元，是最初估計(jì)的50多倍。

太空電梯可以取代航天飛機(jī)作為太空主要交通工具，用于衛(wèi)星部署、國(guó)防、太空旅游和進(jìn)一步的探索。針對(duì)最后一點(diǎn)，航天器可以爬上太空電梯的纜帶，然后在太空中向其主要目標(biāo)發(fā)射，這種類型的發(fā)射所需的燃料比從地球大氣層中發(fā)射所需的燃料要少。一些設(shè)計(jì)師還認(rèn)為，太空電梯可以建在包括火星在內(nèi)的其他行星上。

美國(guó)宇航局資助愛(ài)德華茲博士進(jìn)行了三年的研究。然而，在2005年，它只給研究太空電梯的公司撥款2800萬(wàn)美元。雖然他們?nèi)匀粚?duì)這個(gè)項(xiàng)目很感興趣，但目前他們更愿意坐等其更實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。

BY:KEVIN BONSOR

FY: Gin

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