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天梯是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到空間的解決方案。這個方案旨在建造一部稱作天梯的運輸工具。按照太空電梯公司提出的設計方案,天梯的高度大約為10萬公里。太空電梯公司是籌劃天梯或天梯部件計劃的幾家公司之一。

天梯天梯
天梯(又譯空間電梯)是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到空間的解決方案。這個方案旨在建造一部稱作天梯的運輸工具。按照太空電梯公司提出的設計方案,天梯的高度大約為10萬公里。太空電梯公司是籌劃天梯或天梯部件計劃的幾家公司之一。2006年10月,世界各地的眾多團隊雲集美國新墨西哥州的拉斯克魯塞斯,角逐獎額為40萬美元的「天梯比賽」X獎頭獎。

1 天梯 -概念比喻

天梯天梯概念藝術圖

為了更好地理解天梯的概念,可以想一下繩球遊戲,玩這種遊戲時,將繩子的一端系在一個立柱上,另一端系在一個球上。如果拿這種遊戲做一個類比,那麼繩子就是碳納米管合成纜繩,立柱就是地球,這個球就是平衡站。現在,設想使這個球永不停息地繞立柱旋轉,並且旋轉的速度非常快,從而使繩子拉得很緊。這就是天梯的大致原理。平衡站繞地球旋轉,從而使纜繩保持拉直狀態,這樣機械升降機就可以順著纜繩上下升降。

2 天梯 -組成

平衡錘:平衡錘是一個比較重的物體,放置於同步軌道上方。
纜繩:纜繩是一條十分長且結實的繩子,上粗下細,用於連接地面與平衡錘。
貨艙:貨艙用於裝載貨物,它可以順著纜繩在空間和地面之間上下移動。
地面基站:地面基站用於將纜繩固定在地面上,並為貨艙的移動提供能源,能量通過激光傳送到貨艙。

3 天梯 -核心部件

天梯的核心部件將是碳納米管合成纜繩,它只有幾厘米寬,幾乎只有一張紙那麼厚。碳納米管發現於1991年,它的發現使科學家認為天梯是能夠建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·愛德華茲(Bradley Edwards)博士稱,「以前,找到合適的材料難度太大了。但現在,我們離實現這一目標越來越近,因為在製造碳納米管和有效的拉絲機方面都取得了進展,這種拉絲機能將製作伸向太空的纜繩所需的材料拉得足夠長。」
碳納米管在強度上可能會比鋼高100倍,但卻像塑料一樣柔韌。碳納米管之所以會有如此高的強度,是因為它們具有類似於足球的獨特結構。一旦科學家們能夠用碳納米管製成纖維,那麼就有可能製作出形成天梯纜繩所需的細絲。以前考慮的材料要麼是強度不夠,要麼是不夠柔韌,無法製成纜繩,而且易斷。
太空電梯公司的研究主管湯姆·紐金特(Tom Nugent)說,「這種材料具有非常高的彈性模量,並且它們的抗張強度也非常高,而且,理論上使天梯相對容易建造的所有材料特性,這種材料都具備了。」
有兩種方法可以製作纜繩:
用數米或更長的長碳納米管編成類似繩子的結構。截至2005年,最長的納米管也只有幾厘米長。
可以將較短的納米管置入到聚合物基中。目前的聚合物與碳納米管之間結合得不夠緊密,因而在拉緊時會將基質拉離碳納米管。
一旦製作出長碳納米管纜繩,就會將它纏成一個軸狀物發射到軌道中。當太空船載著這個軸狀物飛至特定高度(可能是近地軌道)時,它就會開始將這個軸狀物散開,使纜繩落回到地球上。同時,這個軸狀物會繼續向上運動到更高的高度。當纜繩落入地球的大氣層時,就會有相應的裝置捕捉到它並使它繼續下落,最後將它錨定到海洋中的一個移動平台上。這條纜繩有點像鐵軌,將用作進入太空的航線。這樣,就可以用機械升降機順著這條纜繩上升到太空中。

4 天梯 -使用

天梯升降機

儘管纜繩仍是一個處在概念階段的部件,但天梯的所有其他部件均可以利用現有的技術製造出來,這些部件包括機械升降機、錨站和光束動力系統。到纜繩製造出來時,其他部件也差不多都準備好了,在2018年左右即可實現發射。
升降機
機械升降機將順著纜繩升入太空。升降機上的滾輪夾緊纜繩,滾輪胎面與纜繩之間的摩擦力往下拉繩索,這樣,摩擦力產生的反作用就會使升降機得以順著天梯向上攀爬。
錨站
天梯的下端將連在赤道附近的太平洋海域中的一個移動平台上,該平台將纜繩錨定在地球上。
平衡站
纜繩的最頂端將有一個很重的平衡站。在早期的天梯計劃中,曾考慮捕捉一顆小行星並將它用作平衡站。但是,在太空電梯公司和科學研究所(ISR)最近關於天梯的計劃中,多數還是考慮使用人造平衡站。實際上,可以將用來製造纜繩的設備(包括用來發射纜繩的太空船)組裝成平衡站。
動力光束
升降機將利用位於錨站或錨站附近的自由電子激光系統來提供動力。ISR稱,這種激光會將2.4兆瓦特的能量傳送給附著在升降機上的光電池,這種光電池可能由砷化鎵(GaAs)製成,然後光電池可以將這些能量轉化成電能以供傳統的鈮磁直流電電動機使用。
一旦投入使用,升降機幾乎每天都可以在天梯上往返運動。升降機的大小各異,最初為5噸,最大可達20噸。20噸重的升降機的有效載荷可達13噸,其內部有900立方米的空間。升降機將以約190公里/小時的速度順著纜繩向上運載貨物,所運貨物從人造衛星到太陽能電池板,五花八門,最後它還將載人上天。

5 天梯 -保持正常運轉

位於100,000公里的高空中時,天梯將很容易遭到包括天氣、空間碎片和恐怖分子在內的許多危險因素的破壞。隨著天梯從計劃階段走向設計階段,開發人員開始考慮這些危險因素及相應的克服辦法。實際上,為了確保始終都有可以使用的天梯,開發人員計劃建造多個天梯。從第一個天梯開始,後續天梯的建造成本將依次遞減。第一個天梯將用作其他天梯的建造平台。開發人員通過這樣做來確保在某一個天梯遇到問題的情況下,其他天梯仍能繼續向太空運送人員和物資。

天梯錨定平台

避開空間碎片
與空間站或宇宙飛船一樣,天梯將需要具備避開碎片、人造衛星等軌道物體的能力。錨定平台將採取主動迴避措施來保護天梯免遭此類物體的破壞。目前,北美防空司令部(NORAD)所跟蹤物體的大小都在10厘米以上。保護天梯需要配備軌道碎片跟蹤系統,它能夠探測到大小為1厘米左右的物體。目前正在為其他空間計劃開發這項技術。
「我們的計劃是將纜繩錨定到海洋中的一個移動平台上,」太空電梯公司的湯姆·紐金特(Tom Nugent)說,「實際上你可以來回移動錨定點的位置,從而將纜繩拉離人造衛星的航道。」
防禦攻擊
將天梯置於偏遠位置將是降低恐怖分子攻擊風險的最佳方法。舉例來說,第一個錨定點將位於赤道附近的太平洋海域,與任何空中航線或海洋航線的距離至少為650公里,這是太空電梯公司透露的信息。任何攻擊都只能威脅到天梯的一小部分裝置,即15公里處及以下的所有裝置。此外,天梯將是十分寶貴的全球資源,可能會受到美國及其他國家/地區軍隊的保護。

6 天梯 -研究的最新進展

天梯對全球帶來的潛在影響力堪與另一項偉大的運輸成就美國洲際鐵路相媲美。這條洲際鐵路於1869年在美國猶他州的普瑞蒙特瑞(Promontory)竣工,它首次連通了美國的東海岸和西海岸,加快了美國西進運動的進程。這條鐵路建成后,橫貫全美的旅行只需幾天就可以完成,而在此之前則需數月。它還開拓了新的市場,諸多全新的產業皆因它而興起。到1893年,美國已建成五條洲際鐵路。

天梯太陽景觀的概念藝術圖

天梯這一想法與洲際鐵路有許多相通之處。天梯將開創地球與太空之間永恆的連通之門,這道門永遠都不會關閉。雖然它不會加快太空之行的速度,卻能使太空與地球之間的往來更為頻繁,並將開創一個嶄新的發展時代。天梯的建成將大大降低向太空運送貨物的成本,或許這就是促成天梯這一想法的最大動力。儘管天梯的升降機比採用化學推進的宇宙飛船慢,但這種升降機卻將每公斤的發射成本從22000到44000美元降到900美元左右。
據「天梯——NIAC第二階段最終研究報告」(The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report)的作者布拉德利·愛德華茲透露,目前估算的天梯建造成本為60億美元,法律法規方面的費用為40億美元(愛德華茲就是布拉德利·卡爾·愛德華茲博士,他是「碳設計」(Carbon Designs)公司的總裁和創始人。)。相比之下,1971年預測的宇宙飛船計劃的成本為52億美元,但最終卻耗費了195億美元。此外,宇宙飛船每飛行一次都要耗費5億美元,這一數字超過當初估算的50多倍。
天梯可能會取代宇宙飛船成為主要的航天器,並將用於人造衛星部署、國防、旅遊和其他開發。再往後,太空船將順著天梯的纜繩攀升至太空中,然後再朝向其主目標發射。這種發射方式所需的燃料更少,因為它省下了採用傳統方式發射時衝出地球大氣層所需要的部分燃料。有些設計人員還認為,天梯可以建在包括火星在內的其他行星上。
NASA曾資助愛德華茲博士的研究長達三年。但在2005年,它僅給研究天梯的各家公司提供了2800萬美元的獎金。儘管它仍然非常關注這一計劃,但眼下它更願意靜觀其變,等待出現更為實質性的進展。

7 天梯 -參考資料

[1] 博聞網 http://science.bowenwang.com.cn/space-elevator3.htm

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