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通往太空的电梯什么时候能建?

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发表于 2021-9-30 10:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
卫星试验是太空电梯项目的先驱——卫星 可以运送一定的负载到太空站。太空站距离地面超过35000千米,但在太空站中 执行发射任务的费用仅为在 地球上执行发射任务的 费用的几分之一。
随着科学技术的发展,人们的生活越来越便利,机械化的程度越来越高。只要是稍高一点的楼层都会安装电梯,电梯在城市中随处可见,节省了我们上下楼梯的时间和体力。
随着人们对太空探索需求的加大,我们经常使用运载火箭。不过,运载火箭的花销巨大,费时费力。如果在太空建造一个电梯,就会方便得多了,而且太空电梯不仅可以运输货物,说不定还可以带人类去太空观光。
实际上,早在19世纪末期,前苏联的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就提出了这个想法。后来,俄罗斯和美国也都对太空电梯进行了探索和研究。现在,日本的科学家们正式开始进行太空电梯的试验,并计划到2050年,实现太空电梯这一畅想。
如何建造太空电梯?
太空电梯由五部分组成:基座、缆绳、电梯舱、空间站和平衡锤。
太空电梯的建造原理其实非常简单,它结合了万有引力和圆周运动。我们小时候大概都干过这样的事,用绳子拴着一个重物(可能是石头或者沙袋),拉着绳子转,如果速度足够快的话,重物就不会掉下来。
建造太空电梯时,缆绳的一端连接地球赤道上的基座,有固定式(固定在地表上)和漂移式(海上大型平台或平流层中的飞行平台)两种选择。绳子的另一端是位于地球静止轨道的空间站。在地球静止轨道上,空间站的角速度和地球自转的角速度相等(与地球同步),即空间站相对地球静止;卫星所受的向心力等于地球对它的吸引力,空间站既不飞离地球,也不落回地球上,缆绳就被固定下来了。
地球静止轨道的高度是固定的,为赤道上空约3.6万千米。实际上,为了保证整条缆绳加太空站的稳定,整个体系的重心要放在地球静止轨道上,但缆绳本身具有一定的重量,所以我们要加一个重物,放在整个体系的后方,即它的位置高于空间站(地球静止轨道高度),这个重物被称为平衡锤。
虽然建造太空电梯的设想已出现了近百年,它的原理也很简单,但是却一直没有真的实现,建造的关键就在缆线身上。
建造的难题
建造长达数万千米的太空电梯缆线所用的材料必须非常轻盈、非常结实,材料成本也很便宜才行。人类技术发展至今日,能达到如此标准的材料屈指可数,最有希望的材料是碳纳米管。按照现在的技术,我们可能需要700万千克的碳纳米管来制造电梯缆线。
然而还是有两个问题:一是现在的技术无法制造出那么多的碳纳米管电缆;二是材料还不够轻。而且,缆线材料还需要面对宇宙辐射、大气腐蚀、太空垃圾等,这些都是在建造太空电梯时需要解决的问题。
另外,研究人员还需解决电梯升降的动力问题。我们无法用电提供升降舱所需的能量,因为长度的关系,整个导线电阻巨大。对此,有人提出了用激光发射助推的方法。在升降舱的底部安装太阳能板,然后在地面上用激光照射它,用激光提供能量,但是电梯升的越高,抵达的光线就越少。与此同时,太阳的光线会随着高度增加越来越强,所以,在升降舱添加一些朝上的太阳能板会更有优势。
微型电梯探路
2007年,日本设立了“太空电梯协会”,同时展开对太空电梯的研究。按照他们的设计,太空电梯的缆线长度约9.6万千米。相当于地球到月球距离的四分之一。为了达到最终的目标,研究人员开始进行阶段性的试验。
2018年9月22日,随着一声巨响,H-IIB型运载火箭(日本大型运载火箭)从地面升空,开始了为期5天的国际空间站之旅。该火箭携带了两颗边长为10厘米的小型立方体卫星,两颗卫星间通过一根10米长的钢缆连接。在缆绳上,研究人员将尝试利用电机驱动一个模拟电梯升降舱的盒子,使其在缆绳上来回移动。
当微型电梯在两颗卫星之间移动时,会向科学家提供有关钢缆受力的重要信息。该试验还将揭示电梯与钢缆之间的相互作用,这样科学家们就可以设计出更好的可乘坐电梯。通过蓝牙,微型电梯会不断向其中一颗卫星发送它的位置和电缆状况的数据,卫星再将这些数据传输给地球上的科学家。
太空物流线
如果有一天太空电梯成为现实,它将是一种比火箭便宜得多的太空运输工具。目前运载火箭总重的90%是燃料,5%是船体,最后的5%才是宇航员、卫星和其他有效的载荷。与消耗的大量燃料相比,有效的载荷太少了,火箭的效率太低。目前的行情是:每运送1千克载荷进入太空就要花费2万美元。太空电梯就不同了,升降舱可以在下降时回收上升过程所积累的能量(势能),而且可以借助太阳能提供动力。因此,它的效率远比火箭高。
现在我们在发射飞船时,火箭需要提供动力,好让飞船获得摆脱地球引力的速度。由于太空电梯是同步绕地球转动的,因此只要将飞船运送到空间站,轻轻放出,飞船就会获得摆脱地球引力的速度。太空电梯一旦建成,将有效解决火箭发射成本高的问题。
另外,据日本的研究人员介绍,他们计划设计的电梯舱可以在7.5天内以200千米/小时的速度将30名乘客运送到距地球3.5万千米的空间站。而且由于太空电梯的成本较低,普通人也可以到空间站,观看太空景色。

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