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2023-03-03

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太空電梯·奔赴浩瀚宇宙

AROUND THE PLANET

未來(lái)已來(lái)？

——科幻中的太空電梯能走進(jìn)現(xiàn)實(shí)嗎？

Vol.01

?科幻電影中的太空電梯?

????????隨著春節(jié)檔大片《流浪地球2》的大火，一些充滿想象力的科幻設(shè)定讓人著迷，其中就包括了那座“人類迄今為止最高的建筑——太空電梯”。

　　在電影的設(shè)定中，太空電梯大致由三部分組成，包括位于地球赤道海洋中的地基、為太空電梯提供軌道的纜繩以及最上方巨大的空間站。從空間站垂下一根根纜繩，直接將其連接到海洋上的巨型平臺(tái)，在纜繩上，裝有一個(gè)個(gè)的“電梯”，這些電梯承擔(dān)著來(lái)回運(yùn)送貨物以及宇航員的重任，通過(guò)太空電梯可以迅速便捷，以最大的效率幫助人類建立起巨型的太空建筑，并將其作為人類向宇宙出發(fā)的中轉(zhuǎn)站。

　　在電影的描述中，太空電梯的推進(jìn)方式是火箭推動(dòng)，以此達(dá)到10個(gè)g的加速度，將電梯推進(jìn)到三千萬(wàn)米的高空。而其返回的方式而是利用“冰盾”，利用水結(jié)成冰在電梯上形成一層“保護(hù)罩”，當(dāng)溫度很低時(shí)，冰的硬度甚至可以超越鋼鐵，使用這種冰盾才能保護(hù)太空電梯安全返回。

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Vol.02

?太空電梯的理論基礎(chǔ)?

????????或許太空電梯在許多人眼中是十分神秘且難以置信的，但實(shí)際上太空電梯所蘊(yùn)含的基本物理原理并不深?yuàn)W，太空電梯的設(shè)想在很早的時(shí)候就被提出了，但始終礙于一些技術(shù)的限制始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　　早在1895年,俄羅斯火箭專家與航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基在參觀法國(guó)巴黎的埃菲爾鐵塔時(shí),就受到鐵塔建設(shè)的啟發(fā),提出在地面上建設(shè)一座直抵地球同步軌道的超高型鐵塔,以架設(shè)電梯的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)入外層空間。他還對(duì)這種鐵塔作了詳細(xì)設(shè)計(jì),并計(jì)算出塔的高度為35786公里。

　　35768公里，這個(gè)數(shù)字并不是空穴來(lái)風(fēng)，這是地球靜止軌道的高度，即在赤道的上方，空間站的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，在赤道上的人看起來(lái)，空間站是完全靜止的，只有這樣，才能具備電梯的條件——即相對(duì)于地表靜止。

　　空間站初始位于地球靜止軌道上，保持著與地球自轉(zhuǎn)速度相同的角速度，放下幾段長(zhǎng)且高強(qiáng)度的纜繩，并將其與地面的基站連接，將電梯接入纜繩。這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致太空電梯的整體重心下移，因此，空間站需要適當(dāng)上移，保持太空電梯的整體重心位于地球靜止軌道上。

????????對(duì)于電梯的上升方式目前而言有以下幾種，如電影中利用燃料推進(jìn)，或者采用電磁驅(qū)動(dòng)的方式，亦或是利用纜繩拉拽，甚至有人提出可以讓太空電梯自己攀爬纜繩。在這幾種可選擇的方式中，為了提高能量的利用率，減少運(yùn)輸成本，使用傳統(tǒng)的燃料推動(dòng)似乎并不是一個(gè)很好的選擇。因此，選擇其他的一些現(xiàn)今尚未成熟的方式是更有可能的選擇。

　　而電梯下降過(guò)程中如何降溫也是很重要的一環(huán)，目前在航天領(lǐng)域中用到的是一次性隔熱瓦，這種材料成本大且只能使用一次，因此在以節(jié)約為要求的太空電梯中這種材料不太適合于太空電梯，此時(shí)在電影中的“冰盾”便成為可實(shí)現(xiàn)的設(shè)想。

　　在基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的環(huán)形局部空間電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析一文中研究了環(huán)形局部多電梯運(yùn)輸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。為我們提供了太空電梯的可行性分析，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多電梯系統(tǒng)較單電梯穩(wěn)定。

Vol.03

?制造太空電梯的材料?

????????有相關(guān)資料表明，太空電梯的纜繩是目前而言最難實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槔|繩實(shí)際并不是靜止的狀態(tài)，而是在隨著同步衛(wèi)星一起以地球自轉(zhuǎn)的角速度高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所需的巨大向心力可能會(huì)超過(guò)材料的抗拉極限，導(dǎo)致纜繩自己把自己甩斷。接下來(lái)我們可以進(jìn)行一個(gè)并不準(zhǔn)確的計(jì)算：在地心參考系中，可以將纜繩簡(jiǎn)化成圓柱狀，密度是ρ，橫截面是S，一端固定于地球同步衛(wèi)星，另一端固定于赤道海上基地?？紤]在同步衛(wèi)星軌道附近的一小段纜繩，不考慮各種額外的載重，它受到的拉力可以這樣計(jì)算：

????????其中R為地球半徑,l為地球同步軌道高度,G為萬(wàn)有引力常量,Me為地球的質(zhì)量，由這個(gè)公式，代入不同材料的密度，便能解出該材料所需要承受的拉力。若將鋼的密度代入，得到鋼需要承受的最大應(yīng)力為，而實(shí)際上鋼的承受力只有。目前看來(lái)，世界上最符合此要求的是碳納米管，其是用碳原子制成的管狀納米結(jié)構(gòu)，具有極高的強(qiáng)度，厚度則只有1個(gè)原子層。這種材料可以滿足上述需求，或許可以成為太空電梯的解決方案。

Vol.04

?發(fā)展現(xiàn)狀及前景?

????????似乎勝利的曙光就在前方，但以上都是基于理論模型，實(shí)際中還有很多需要考慮的問(wèn)題：無(wú)論是空間站的建造，還是纜繩的材料，還是電梯的推進(jìn)方式，都是需要經(jīng)過(guò)種種設(shè)計(jì)才能完成的。同時(shí)，如何保證電梯廂體有足夠的動(dòng)力支持，可以一直從地面升到太空站？如果升到一半的時(shí)候，太空電梯的動(dòng)力系統(tǒng)突然失靈，如何維修？如何讓太空電梯自動(dòng)躲避太空碎片和一些可能撞上來(lái)的衛(wèi)星……因此，“太空電梯”的發(fā)展道路可謂是任重而道遠(yuǎn)。

　“飛上太空，探索宇宙”自古以來(lái)便是全人類共同的夢(mèng)想，古往今來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家前仆后繼，讓人類的科技水平上升到了一個(gè)又一個(gè)新的高度。不斷突破性能極限、不斷突破材料極限、不斷突破物理極限……人類的發(fā)展總是在挑戰(zhàn)中突破，在突破中將幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。相信未來(lái)的某一天，那部“天梯”定會(huì)刺破長(zhǎng)空沖出地表，奔向浩瀚宇宙。正如習(xí)近平主席所說(shuō)“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”，那時(shí)候太空電梯應(yīng)當(dāng)是全人類的財(cái)富，也一定會(huì)是人類未來(lái)走向宇宙最重要的建造，它是人類智慧的結(jié)晶，是各國(guó)科學(xué)家共同探索的結(jié)果，也是人類科技史的一個(gè)重要里程碑！

【參考文獻(xiàn)】

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[4]李佳維. 基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法的環(huán)形局部空間電梯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[D].南京理工大學(xué),2021.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2021.000910.

[5]部分資料與圖片源于百度

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