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太空梯简介_太空梯个人资料_太空梯微博

2016-11-27 05:51:44 科学百科 阅读 3 次

简介/太空梯 编辑

太空梯是全球九个规模最大工程。宇航员和货物将不再需要依靠笨重的航天飞机到达太空工作站,借助太空梯进入太空廉价又安全。虽然一些专家表示,太空梯至少在未来10年内无法实现,但大胆而热情的发明家们已经在探索如何将这一伟大抱负变成现实的方法了。与此同时,这项技术对那些希望扎根地球长久一点的人来说可能会产生一个额外的好处:高速无线互联网接入。

基本原理/太空梯 编辑

科学是一个开放的知识体系,其发展是永无止境的。最早提出太空天梯设想的人是俄罗斯著名学者齐奥尔科夫斯基。他提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡,和地面用一根缆绳连接起来,成为向太空运输人和物的新捷径。1970年,美国科学家罗姆·皮尔森进一步完善了太空天梯的设想。所谓地球静止轨道,是因为当在该轨道上的航天器以每秒7.27×10-5弧度的角速度绕地球运行时,正好与地球自转的角速度相同,故从地面上看去,好像固定在太空中不动一样,因此才被称为地球静止轨道。正缘于地球静止轨道的这种特殊功能,齐奥尔科夫斯基才提出在它上面设置一个太空城堡,垂放一根缆绳锚在地球赤道上,就可成为通向太空的天梯。这架梯子可以笔直地通向静止轨道,在无外力影响时它不会弯曲,能成为通往太空的运输线。截止到目前,包括我国在内的一些国家,已向静止轨道发射了多颗卫星,成功掌握了高轨道航天器入轨技术,这都为将来建造太空天梯奠定了一定的技术基础。

设计方案/太空梯 编辑

从幻想走向现实1978年,著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他设想从位于地球静止轨道上的一颗卫星上向下伸展出一个梯子,直达地球赤道表面,人们即可像乘坐电梯一样到太空中去游览观光并运送货物。当时有人问克拉克需要多长时间才能实现这一梦想,他回答道:“在受大家嘲笑的50年后。”21年后的1999年,美国宇航局马歇尔中心的先进办公室即发表了《天梯:太空的先进基础设施》一文,标志着天梯将从幻想走向现实。2004年6月30日,在华盛顿召开的第三届国际天梯会议上,专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。时隔仅仅9个月,2005年3月23日,美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的西弗吉尼亚州费尔蒙特科学研究所的布拉德·爱德华兹博士在论文中写道:“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”他认为自己构想中的初版天梯可能在2019年问世,其成本大约为70—100亿美元,与人类其他大型太空工程相比,这项费用并不算太大。天梯的建造过程爱德华兹是这样描述天梯的建造过程的:第一步,把一个携带天梯半成品的飞船或航天飞机发射到地球静止轨道上,使其和地球同步飞行;第二步,把这个半成品的天梯从飞船上放下来,落到赤道海面的一个平台上,这个平台类似一般的海上发射卫星的平台;第三步,把半成品的天梯锚定在平台上;第四步,用一个由激光提供能量的爬升器在这个半成品的天梯上上下移动,并把更多碳纳米合成纤维缆绳拧在天梯半成品上,进一步完成天梯。整个制造过程大约需要两年半的时间。另外,根据专家设想,天梯也可由电磁能驱动。建成后的这个天梯犹如一条上下垂直的高速公路,爬升器可沿着它把成吨重的物资或人,缓缓运送到离地面约3.6万公里高的地球静止轨道上,用时约需7.5天,回来也需要同样长的时间。天梯材料的寻找为了建造天梯,首先必须找到制造缆绳所需要的既异常坚硬轻巧又能抵抗任何腐蚀的材料。1991年,日本科学家发明了碳纳米管,这种材料虽比钢轻6倍,但韧度要比钢高出几百倍,问题是生产成本太高。2004年,英国剑桥大学科学家阿兰·温德尔领导的研究小组曾宣布,他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成了“纳米绳”。因纳米碳管的直径是一根头发直径的1/5000,其刚度是钢材的10倍,其硬度是金刚石的两倍,故而由它们构成的“纳米绳”虽然很细,但刚度和硬度都很大。他们认为,由于这种绳子制造成本低廉还不污染环境,将来可用于建造太空天梯。至于海面平台位置的选择要尽可能避开飞机航班和轮船航线,也不能位于飓风骇浪经常发生的地方。当然,天梯还要有抵御闪电和风云雨雪的冲击、穿越电离层时的伤害、流星奔袭、高层大气中硫酸的侵蚀以及来自太空垃圾的撞击的能力。

现状/太空梯 编辑

莱恩表示,他依旧会对基于地球的太空梯概念“投入巨资”,不过,眼下他已将工作重心转向月球梯,只要从事大量研究,拥有足够资金,月球梯完全有可能在10年内建成。他在接受采访时称:“我提出的时间表尚存在疑问。我们不久便将实现这个梦想,或许在5到7年内。”由于月球引力仅仅是地球的六分之一,这可以大大降低对缆绳强度的要求。现有一种适于制造月球梯的材料是Zylon合成聚合物,这种材料具有高强度、高耐热性等特点。

此外,构成月球梯的组件相对较轻,小型火箭就能将它们发射到月球。莱恩说:“按照月球梯的物理学标准,我们似乎可以利用标准型号的阿特拉斯火箭和德尔塔火箭发射月球梯的组件。这是一个你不必建造像土星5号火箭这样庞然大物的重大事件。”虽然莱恩表示相信月球梯在5至7年内建成是可行的,但在如此短的时间内不出任何问题,仍然是不可能完成的任务。

最大的障碍可能是如何利用一个用Zylon材料建成的6立方米的结构。莱恩说:“这确实是我们面临的最大挑战。”同时,建造如此复杂的系统还涉及到大量未知难题。莱恩说:“我过去在谈起太空梯时,曾说我们连可能遇到的问题都不清楚,更何况是答案。对于月球梯的建造来说,这更是事实。”另一个障碍是资金。不过,相比从地面架起的太空梯,月球梯的建设成本可能会少一些。基于地面的太空梯基本上就是一条长长的缆绳——也许长达6.2万英里(约合10万公里),一端固定在地球上,另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大卫星)上。在引力和向心加速度的作用下,缆绳或丝带可以保持僵硬,小电梯或“升降机”可以向上移动太空梯,而耗费的能量和费用仅是将物体发射到轨道的极小部分。  

困难/太空梯 编辑

建造‘太空天梯’的困难在于没有强度足够的材料。目前,人们可以生产出比钢铁坚韧数百倍,而重量却只有钢铁几分之一的纳米材料。但问题是,一旦纳米材料到达微米的尺度,其强度和韧性就开始下降。因此,在开始建造“太空天梯”之前,如何让材料在纳米尺度上的性质在宏观尺度上继续保持,是首先要解决的问题。虽然还有很多问题困扰着科学家,但是Arthur C. Clarke一直认为“太空天梯”的出现只是一个时间问题。  

意义/太空梯 编辑

一旦太空梯建造完成,利用其向轨道运送货物的成本约为每磅数百美元,相比之下,用航天飞机发射卫星的成本则高达每磅7000美元。月球梯至少需要长达3.1万英里(约合5万公里)的丝带,以月球上可见区域中心位置附近为基点,穿越地月系拉格朗日L1点。小型阿特拉斯火箭和德尔塔火箭可以将组件发送至地月系拉格朗日L1点,然后以这个点为轴,分别将Zylong缎带向地球和月球两个方面延伸。

莱恩说:“你可以使用作为阿特拉斯火箭平衡物的一部分。但这是非常小的平衡物,也就是说,来往于月球的货物会非常小。这不像是太空梯,你将可以每周将100吨的货物送上太空。而月球梯是非常小的系统,只能运输200至250千克的货物。”

莱恩举例说,日本“隼鸟”号探测器的整个样本回收装系统最近返回地球的小行星样本重量只有大约20千克。这也让莱恩开始设想月球梯的首次任务:取样返回任务。他说:“在5到7年后或许可以实施月球取样返回任务,我认为这是一个相当合理的设想。”莱恩表示,一旦初始阶段的月球梯投入使用,我们可以利用基于地球的太空梯的相同概念,用更多丝带去强化它的强度。当然,月球梯的投入巨大,虽然第一阶段可能比太空梯投入少,但月球梯的后续建造耗资巨大,相比太空梯会耗费更长时间。莱恩说:“我们对成本尚未做出一个完整的估算,但相比于阿特拉斯火箭和德尔塔火箭,这是一个合理的投入。成本总共可能只有数亿美元,而不是数十亿美元。”

作用/太空梯 编辑

莱恩当前已经有了月球梯的总体构想和规划。他说:“这不是去到月球上插面旗帜,或是留个脚印,而是涉及到美宇航局预算核心部分,聚焦于技术开发与基础设施建设,保证航天探索顺利进行。而这恰恰是我们希望通过开发月球梯实现的目标。接着,我们会开始建造月球前哨站或研究实验室。我们提出了一端使用平衡物,一端使用栖息地的构想。如果我们可以将一组太空舱组合起来,它们就构成了极佳的平衡物,这一定会让人感兴趣。”“有人认为,如果你的目标是火星,那么到月球的吸引力就不大了,也有许多人认为燃料库更有意义。我们可能会是一些长期任务的绝佳燃料库,因为我们需要这多余的质量。在太空梯,平衡物基本上都是死物。对于月球梯来说,它会变成一个工作环境。所以,有些人通过它去月球,有些人将它当作前往火星中途加油和维修的站点。一旦它投入使用,鉴于阿特拉斯火箭和德尔塔火箭的成本,你前往月球就有了安全可靠的途径。这将带来巨大的影响。”莱恩表示,他不希望给人留下这样的印象,即他和其他对这个概念感兴趣的人已将一切谋划好了:“我们对这个概念做了足够的研究,知道它是可行和有趣的,可能用不了多久就能实现,这也是我们正在提出解决之道的原因。”莱恩和其他对太空梯感兴趣的研究人员将要举办一系列研讨会,深入探讨这个概念,解答一些人提出的疑问。第一个研讨会将于7月29日至8月1日在西雅图举行。

厚望/太空梯 编辑

莱恩在2003年创建了LiftPort公司,用于开发太空梯,但这家一度有14名全职员工的公司,在2007年陷入财务危机。他将月球梯看作是LiftPort公司重获新生的关键。他说:“这是一个复兴计划,重新崛起的机会。我会将自己从太空梯吸取到的经验应用于这个全新概念。”“在开发太空梯的过程中,我的所有资金全部来自于房地产,我的需要在资金上可以得到保证。但这一次有所不同。对于我们来说,建造月球梯恰恰是让我们走出财务困境的一条途径。”莱恩最后表示:“我认为这同样是一个可以赚钱的项目。我们会在此过程中获得新的发现,最终令我们开发出与月球毫不相干的产品和服务。