space elevator

太空电梯

什么是太空电梯?

太空升降机是一种物理结构,它将地面连接到轨道上,并可以在其上移动。 这个概念的许多版本都是研究人员和科幻小说作家想象的,就像Arthur C. Clarke的小说“天堂的喷泉”一样,普及大众的太空电梯。 美国宇航局于1999年发布了关于太空电梯的研究报告。

要了解太空电梯是什么,想象一下在赤道和地球静止轨道之间垂直延伸的绳索。 稍微超出这个轨道,绳索就会附着在一个大的物体上,例如一个小行星,因此整个结构的平衡点恰好在对地静止轨道上。 该系统在理论上是稳定的,不需要能量来维持自身。 视频插图:

一架太空电梯,它是为了什么和为谁服务的?

如果我们能够在地面和地球静止轨道之间建立这样的结构,我们可以在那里移动一些能够在地面和轨道之间运载人员,设备或能量的电梯。使这种结构非常有吸引力的是,与使用火箭相比,这次旅行的能源成本非常低。这种技术可以将进入太空的成本降至每公斤10美元左右。

除了地面和地球静止轨道之间的传输功能之外,人们还可以找到许多与空间电梯相关的功能。例如它可以在低轨道停下来。然而,在这个高度留下的有效载荷仍然应该以自己的方式提供每秒几公里的加速度。同样,通过将太空电梯延伸超过对地静止轨道,有可能达到地球轨道释放的速度,从而将有效载荷置于行星际轨道上。顺便提一句,太空电梯可以作为一个巨大的通信中继能够覆盖整个半球的需求。

如果我们有一天能够建造太空电梯,潜力是巨大的。目前最高的人造建筑是迪拜的哈利法塔,高达830米。理论上,用现有的材料和施工技术,可以实现几公里高度的作品。但地球静止轨道的海拔高度将近3.6万公里。因此太空电梯是一项重大的工程挑战。

如何建立一个太空电梯?

为了达到那里,有两种可能性。人们可以依靠压缩结构,即通过自身重量维持的塔。这是Constantin Tsiolkovsky想象太空电梯时所设想的方法。甚至艾菲尔铁塔也启发了他。或者可以设想一种结构,该结构依靠地面和对地静止轨道之外的配重之间的张力,就像由于离心效应而会保持紧张的绳索。在最新的设计中,第二种解决方案是优选的,仅仅是因为已知的最耐磨的材料比拉力具有更好的抗拉力。

举个例子,如今两种最具抗性的材料:如果你想建立一个环氧树脂塔,它将能够支撑其自身重量达到122公里的高度。相反,如果您悬挂带有碳纤维增强材料的塑料结构,它可以支撑其自身重量,最大长度可达373公里。在这两种情况下,我们总是远离必要的高度。通过在电梯基础上建立一个基于压缩力的3000公里的塔来结合这两种方法可能会很有趣。这样就可以将结构的质量减少150倍。但是仍然需要在材料上取得重要进展。

理想情况下,空间电梯的中心结构应该尽可能轻以减轻由于自身重量造成的应力,并且足够坚固,在这里难以置信的力量下不会破坏:例如,在结构处于张力一边重力拉动,另一边与配重相关的离心效应,这就像每个团队中有十万人的拔河比赛。

碳纳米管

几年前,碳纳米管的发现表明,某些材料可能具有支撑太空电梯所需的强度。但碳纳米管的生产仍然非常具有实验性和有限性,而且太空电梯是一个需要大量材料的巨大结构。同样,建造太空电梯只是工作的开始:它必须能够维持它。空间电梯的最低部分将暴露在气象条件下,最高部分则暴露于微陨石和空间碎片。即使是最小的损失也会危及整个结构的完整性。如果发生分裂,太空电梯下方区域的辐射将是灾难性的。

太空电梯的成本是多少?

决定太空电梯利益的重要问题之一仍然是其经济盈利能力。太空电梯可以以类似于民用航空的价格降低进入太空的价格。但如果我们增加制造和维护成本,那么太空电梯将是一个涉及许多国家经济努力的国际项目。鉴于所需的投资,需要多年的开发才能使太空电梯获利。太空电梯的作用非常明确:在最常见的设计中,只有地球静止轨道才能有效地服务。在低轨道上,必须提供额外的加速度,并且赤道平面对于行星际轨迹来说是非常不理想的。最后,如果一个人能够开发足够的材料来建造一个太空电梯,那么这些相同的材料可以用来制造高性能和可重复使用的火箭,从而进一步降低太空电梯的兴趣。

月球太空电梯是一个更现实的项目。月球的重力减轻将允许用已经很好掌握的材料建造电梯,例如凯夫拉。在月球表面和地球 – 月球系统的L1拉格朗日点之间架设的电梯将是一种有效的方法,用于提取有价值的月球物质,例如建造空间栖息地。我们也可以想象更简单的太空升降机,不是在地面和轨道之间,而是在不同的轨道之间。例如,将其重心置于电梯的低轨道部分,然后悬挂在150公里高度的大气上方。因此,它可以通过简单设计的单级火箭加入。有效载荷可以在低轨或甚至在行星际轨道上释放,因为这样的太空电梯不需要在赤道平面上。

太空电梯

进入一个太空电梯

很长一段时间,太空升降机很可能仍然是科幻小说。即使在未来几十年内开发出必要的材料,经济利益也不可能推动公司或国家建设,特别是当火箭似乎承诺降低进入太空的成本时。如果再次使用它的承诺,那么在我们再次谈论太空电梯的概念时,可能需要几个世纪。在不久的将来,可以实现靠近太空电梯的其他概念。例如,这种情况就是采用自控式推进装置,它使用两根长电缆以较低的成本改变有效载荷的轨道。

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Credits :
Space elevator first image by NASA
Space Elevator In Clouds by Liftport [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons
Space elevator in motion viewed from above north pole, 13 May 2014 by Skyway
Nano carbon by German Wikipedia, original upload 29. Dez 2004 by APPER