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2012年11月2日 星期五

天方夜譚?美公司欲8年內建成天梯 用纜索連接地球和月球

"建造太空電梯的最大障礙來自纜索的建造。它必須非常輕和極其牢固,並能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。" "太空電梯也可能會踫撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸,這樣的踫撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。" 前言不對後語...自相矛盾...況且月球和地球的公轉方向跟速度都不同, 如何固定電梯? 難道要月球跟著你地球的步伐嗎?

由美國航空航天局前工程師邁克爾-萊恩創辦的電梯港集團公司宣稱,由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易,所以該公司可用現有技術在月球上建造一座太空電梯,並表示這一想法能在8年內成為現實。

   最近,由美國航空航天局前工程師邁克爾-萊恩創辦的電梯港集團公司宣稱,由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易,所以該公司可用現有技術在月球上建造一座太空電梯,並表示這一想法能在8年內成為現實。

   十九世紀末就提出幻想
   現在進入太空的主要工具是運載火箭,它是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。目前的運載火箭所攜帶的燃料要佔到火箭總重量的90%以上,它每運送1千克有效載荷上天平均需耗資約1萬美元。而太空電梯雖然造價昂貴,但不需要動用大量燃料,因此建成之後的運行費用比運載火箭低兩個量級,且可像高速公路一樣24小時運轉,將航天器、有關貨物和旅游者等帶到太空去。

   用一根粗大的吊索,一端固定在位于地球赤道的平台上,另一端緊緊抓住距地面約3.6萬千米、與地球同步運行的航天器上,就可使一個形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空……這就是一些國家研究人員正在嘗試設計的太空電梯。它似乎是科學幻想,然而在科技高速發展的今天,該夢想很有可能變成現實。

   太空電梯的概念早在1895年就由俄國科學家、航天學之父齊奧爾科夫斯基提出。此後,俄國早期太空預言家塔斯安德爾也提出在地球與月球之間搭建一個太空電梯。1979年,著名科幻大師克拉克在其小說《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念,並引起廣泛注意。

   2003年9月15日在美國聖達菲召開的研討會上,俄羅斯和美國70多位科學家和工程師們對太空電梯進行了討論,最終一致認為它將在21世紀內變成現實。近些年,這個曾被視為科學幻想的革命性工程在一些相關技術上有了較大進展,並出台了多種方案。

   太空電梯還能在建造空間太陽能站中發揮重要作用。隨著地球人對能源需求的不斷增加,空間太陽能站有可能成為最具吸引力的獲取能源的方式。不過,用火箭發射空間太陽能電站時會產生振動,而且要求有效載荷必須能夠承受發射時的壓力,所以用傳統發射方式並不適合把大量易碎的太陽能電池板送入軌道,而太空電梯則不存在這些問題。

   難點在制造高強度纜索
   太空電梯的原理並不復雜,基本上就是一條長長的纜繩一端固定在地球上,另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛星或空間站)上。在引力和向心加速度的相互作用下,纜繩被繃緊,太空電梯將利用太陽能或激光能沿纜繩上下運動。

   首先,要在大洋中建造一個漂浮的平台,這個平台要位于一個暴風雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠離飛機的航線和衛星的軌道。太空電梯必須能防雷擊,否則它將容易被斬斷。據設計,太空電梯將重達20噸,整個外形很像一個圓球下面系一根長達10萬千米纜索來充當太空電梯上下的軌道。

   將履帶軌道固定在纜繩的兩端,並且依靠從地面發射的激光轉換成的電能作為動力加以推動。它將建造成為管狀的通道,沿軌道來回運行時,可以將航天器、各種貨物和乘客帶入太空。

   簡言之,要先發射卷有纜索的衛星或空間站,讓纜索的一端借助重物墜回地面,最終與地球上的平台相連接,同時,另一端在位于外太空的衛星或空間站上展開。地球自轉時,太空電梯纜索就會產生向上的離心力,而地球的重力將纜索往下拉,這樣纜索就平衡了。

   乘人的太空電梯是加壓的密封艙。如要發射衛星,當衛星由太空電梯送到地球靜止軌道高度時,自然就獲得了沿靜止軌道運行所需要的速度3.08千米/秒,而不需要另外加速就成為地球靜止衛星。發射低軌道衛星時可使衛星沿太空電梯上升,到達預定高度時就離開太空電梯。這時衛星已經獲得一定的切向速度,再補充一定速度就行了。如果加大補充速度,就可以使衛星脫離地球,飛向行星際空間。

   目前,俄羅斯、美國和日本等國都在研制太空電梯。建造太空電梯的最大障礙來自纜索的建造。它必須非常輕和極其牢固,並能夠經受住大氣層內外向它襲來的任何物體的撞擊。從理論上計算,制作纜索的材料強度必須達到鋼鐵的約180倍。隨著納米技術的發展,科學家不斷開發出質量輕、強度高的碳納米管縴維材料,現有的此類縴維材料強度已經達到了所需強度的約1/4,這使修建太空電梯逐漸成為可能。

   月球引力小更易建太空電梯
   美國科學家皮爾遜大膽設想,制定了一個月球太空電梯方案︰在運行于月球太空軌道上的同步衛星和月球表面間建立一個“升降機”,“升降機”由人造復合縴維纜繩拴住,衛星則好像飛翔在太空中的風箏。皮爾遜認為這一設想在理論上是可行的,因為月球引力只有地球的1/6,依靠目前科技水平制造的合成縴維纜繩已經足夠滿足承擔運輸工作的強度要求。與此同時,在月球周圍也不存在廢棄的火箭推進器、衛星以及其它太空垃圾所帶來的危險,又使這一計劃免除一項後顧之憂。

   也許有人會覺得皮爾遜的想法過于瘋狂,但美國航空航天局的先進概念研究所卻不這麼認為。這家獨立機構2004年就資助皮爾遜7.5萬美元用于設計其月球太空電梯。

   現在,美國電梯港集團公司又提出月球太空電梯的實際方案︰建造從月球上空5萬千米處垂向月球表面的月球太空電梯,因為月球的引力小,並且月球上基本沒有空氣,所以可以大大降低對纜繩強度的要求,只需使用一種名叫 “柴隆”(Zylon)的高強度、高耐熱性復合縴維,就能實現打造月球太空電梯的夢想。

   制造月球太空電梯的材料比制造地球太空電梯要輕許多,其纜繩的一端固定在月球表面某個面朝地球的地點。不過,月球太空電梯較小,只能運輸200~250千克的貨物。但如果用它來采集和運輸月球礦石標本,已經足夠了,這將使月球采礦和運回地球的成本大大降低。
   建成後的月球太空電梯還可以與地球太空電梯連成一體,將來有一天,人類只需經過幾次換乘,就可以乘坐太空電梯從地球抵達月球了。

   仍有很多工程難題需克服
   目前,研制太空電梯最大的挑戰是能否以較低成本大規模生產出納米碳管,因為納米碳管現在還只是毫米級制品,距實用差距甚遠。從理論上說,如果用納米碳管這種材料造出直徑1毫米的碳納米繩,該納米繩就可以承載60噸的重量;而一根1米寬、像紙一樣薄的碳納米纜繩的強度,就足以支撐起一架太空電梯。然而迄今為止,科學家仍然無法用納米碳管編織出長長的纜繩。此外,每克納米碳管就價值500美元,要制造出一條10萬千米長的碳納米纜繩就十分昂貴了。

   另外,向太空發射各種電梯建設材料花費巨大,且如果太空電梯因嚴重事故崩塌,損失驚人。

   還有,當太陽風向太空電梯施加壓力時,來自月球和太陽的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙,太空電梯也可能會踫撞上人造衛星或者太空垃圾殘骸,這樣的踫撞將導致繩索斷裂或太空電梯失事。為此,太空電梯必須在內部建造推進器,以穩定太空電梯致命的搖擺振動,但這又將增加電梯建造的難度和建造維護成本。

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