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空间电梯

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附太阳能发电卫星功能的概念图
太阳能发电卫星功能的概念图

空间电梯(英语:Space elevator),又称轨道电梯,由于顶部直达外空间,所以又名天梯,是一种低成本将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。

历史

空间电梯的概念最初出现在1895年,由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出。相当长的一段时间里,它仅仅只是一种科学幻想,因为找不到一种合适的材料来制造足够强度的缆绳。但随着纳米技术在20世纪90年代开始取得的突破性进展,建造一部现实的空间电梯开始成为可能,预计其建造成本约100亿美元,远少于国际空间站航天飞机计划的投资。但把其送上空间组合就异常困难了,结果还是先有能够在空间制造或至少能装配组件的空间站。

技术

种类

静止型的概念图
静止型的概念图
静止型
以平衡锤的方式,以离心力抵消总体重量,但平衡锤必需放置于同步轨道之上。
落下的力量依重力与高度:
由于地球的自转向上的离心力随高度的增加:
因此相反方向两者的力量总合为:
其中
g是落下的力量(m s−2),
a是离心力(m s−2),
G引力常数(m3 s−2 kg−1
M是地球质量(公斤)
r是从该点到地球中心的距离(米)
ω是地球的转动速度(弧度/秒)
导出公式:
因此计算出同步轨道在离地心高度约35,786 km处。
高速移动型
又称“极音速天钩英语Skyhook (structure)”,这是美国航太工程师Robert Zubrin英语Robert Zubrin于1993年发表的,低设置高度,结构体下端在离地高度约100公里处,持续以10-15马赫高速飞行以维持高度。相较于静止型需要先运送一定质量的平衡锤到空间,高速移动型具有更低的建造成本。

组件

这个方案旨在建造一部称作空间电梯的运输工具。空间电梯由几个部分组成:

  • 平衡锤:平衡锤是一个比较重的物体,放置于同步轨道上方。
  • 缆绳:缆绳是一条十分长且结实的绳子,上粗下细,用于连接地面与平衡锤。
  • 货舱:货舱用于装载货物,它可以顺着缆绳在空间和近地端基地之间上下移动。
  • 近地端基地:由于受到气候的影响,不便设置于对流层以下,不然会受到台风下雨影响到设备的下坠的力量。

材料

奈米碳管是可行的材料之一
奈米碳管是可行的材料之一

对于建造在地球上的空间电梯,平衡锤需要位于距离地面约3.6万公里上空,使用3.6万公里长的缆绳与地面连接。

这种缆绳必须十分结实,起初被亚瑟·查理斯·克拉克,于其小说《天堂之泉英语The Fountains of Paradise》中建议由单晶材料建造,但其不宜在地球重力下大量生产,但后来发明的碳纳米管也可以胜任。包括平衡锤和缆绳的质心位于地球同步轨道的高度,同时为了保证整个装置固定,地面基站通常建造在赤道附近,同时应该尽量选择商业飞行较少的区域,以避免飞机与缆绳或货舱相撞,同时缆绳和货舱还必须能够抵御来自风和闪电的袭击。

对于建造在月球上的空间电梯,要求相比地球要低,因为月球重力较小,且没有大气因素影响,自转速度较慢,且为同步自转。这种条件下,平衡锤可以建造在月球和地球的引力中点,即月球的拉格朗日点上。

类似或配套设计

空间电梯并不是唯一非火箭航天发射方案,其他的方案可以和空间电梯组成一个完整的登天系统。

出现空间电梯的科幻作品

遊戲雷霆任務外傳 Gun Hazard Atlas

建设计划

  • 2012年2月:日本大林建设公司宣布以100亿美元建设空间电梯,时速200公里,单程需7天,预计2050年落成。[2][3]
  • Google X的研究项目(已否决,被认为于现时科技下不可行)

参考资料

  1. ^ 李维北. 【影评】《无姓之人》——总想成为别人的孩子 (shtml). 幻海漫游. sf.kedo.gov.cn. 精彩幻评. 北京: 蝌蚪五线谱: 1. 2015-02-02 [2017-06-12] (中文(中国大陆)‎). 火星旅行里,人被长期休眠,身体被放在一个类似粘膜的东西里头,依靠细细的针管来判断人体状况。环形的宇宙飞船(或者是宇宙电梯?)看起来的确极为美妙,让人想到刘慈欣的空间电梯。 
  2. ^ 日本公司欲建空间电梯 希望2050年乘电梯上空间 互联网档案馆存档,存档日期2012-10-09.《新浪香港》2012年2月23日[[Category:自((subst:#time:c))带有失效链接的条目]][失效链接]
  3. ^ 川端裕人. 研究室】研究室に行ってみた。 大林组 宇宙エレベーター 石川洋二. Nikkei National Geographic Inc. [2015-02-13]. 

外部链接

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