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人类的“通天塔”,太空电梯将如何工作?

2020/7/5 10:38:26 来源:原创 浏览:

1981年4月12日,哥伦比亚号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空,开始执行第一次航天飞机任务,至此,可重复使用航天器的梦想得以实现。从那时起,美国宇航局已经发射了100多次太空任务,但太空任务的成本变化不大。无论是航天飞机还是不可重复使用的俄罗斯航天器,发射成本约为每磅10000美元(每公斤22000美元)。

运往39B发射台的哥伦比亚号航天飞机(图片来源:Wikimedia)

正在开发的一个新型太空运输系统有望使前往地球静止轨道(GEO)的旅行成为日常活动,并改变全球经济形势。

由碳纳米管复合材料缆带制成的太空电梯锚定在一个近海海洋平台上,缆带由一个小型配重物拉伸,长约6.2万英里(10万公里),伸向太空。然后,附着在缆带上的机械升降器会沿缆带爬升,将货物和人类送入太空,其成本仅为每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。

太空电梯概念图(图片来源:Medium)

在这篇文章中,我们将看到太空电梯的想法是如何从科幻小说走向现实的。

  • 太空电梯缆带

为了更好地理解太空电梯的概念,我们来想象这样一种游戏:绳子一端系在一根杆上,另一端系在一个球上。在这个比喻中,绳子是碳纳米管复合缆带,杆是地球,球是配重物。现在,想象一下,球一直绕着杆子快速旋转,使绳子绷紧。这就是太空电梯的整体构想。配重物绕着地球旋转,使缆带保持笔直,自动升降舱在缆带上上下移动。

太空电梯末端的配重物将使碳纳米管缆带保持紧绷状态。根据一些早期的计划,配重物由剩余的建筑材料制成。(图片来源:LIFTPORT GROUP)

LiftPort是为太空电梯及其部件进行设计开发的几家公司之一。根据LiftPort提出的设计,太空电梯的高度大约为6.2万英里(10万公里)。来自世界各地的团队在2006年10月新墨西哥州拉斯克鲁斯(Las Cruces)举行的X奖杯太空电梯比赛中争夺40万美元的一等奖。

电梯的核心部件是碳纳米管复合材料缆带,它只有几厘米宽,几乎和一张纸一样薄。1991年发现的碳纳米管使科学家相信太空电梯是可以被建造出来的。据太空发展基金会(Spaceward Foundation)的布拉德利·爱德华兹(Bradley Edwards)博士说:“过去在材料方面面临的挑战太大,但现在我们在制造碳纳米管和建造相应的机器方面已经越来越先进,这些机器可以将材料拉伸出足够的长度,用以制作延伸至太空的缆带。”

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20 nm。(图片来源:HCL Technologies

碳纳米管的理论强度是钢的100倍,并且具有塑料的柔韧性,这种高强度来源于其类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够将碳纳米管制成纤维,就有可能制造出用于制作太空电梯缆带的线。以前可用的材料不是强度不足就是柔韧度不够,无法制成缆带,而且很容易断裂。

LiftPort集团研究总监汤姆·纽金特(Tom Nugent)说:“它们的弹性模量非常高,抗拉强度也非常高,这一切都说明,这种材料理论上应该能使太空电梯的建造相对容易一些。”。

碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型:扶手椅形纳米管(armchair form),锯齿形纳米管(zigzag form)和手性纳米管(chiral form)(图片来源:Wikipedia)

缆带有两种两种制作方式:

• 将长碳纳米管(几米长或更长)编织成类似于绳子的结构。截至2005年,最长的纳米管仍然只有几厘米。(注:2013年清华大学制备出单根长度在半米以上的碳纳米管)

• 将较短的纳米管置于聚合物基质中。目前的聚合物不能很好地与碳纳米管结合,这导致了碳纳米管处于张力下时基质被拉离。

如果一条长碳纳米管缆带能被制造出来,它会被卷成一个线轴,然后送入轨道。当运载着线轴的宇宙飞船到达一定高度,比如低地球轨道时,它就会开始解开线轴,将缆带一端下降放回地球。同时,线轴将继续向更高的高度移动。当缆带降到地球大气层时,它会被捕获,然后降落并锚定在海洋中的移动平台上。

太空电梯概念图(图片来源:Wallpaperfolder)

这条缆带可以作为一条通往太空的铁路的轨道,而升降舱将沿着缆带爬升进入太空。


  • 太空电梯有多高

太空电梯概念图(图片来源:Acecombat)

如果能建成,太空电梯缆带将代表一个现代世界奇迹,并将是有史以来最高的建筑。2005年世界上最高的独立式塔是加拿大多伦多上空高1815英尺5英寸(553.34米)的CN塔,而太空电梯将比CN塔高180720倍!(注:现在世界最高建筑为迪拜的哈利法塔,高828米,太空电梯将比它高120773倍)

目前的世界第一高楼与人工构造物——迪拜哈利法塔(图片来源:Buidingsone)

6.2万英里(10万公里)长的太空电梯将远远高于航天飞机的平均轨道高度(115~400英里/185~643公里)。事实上,它将相当于地月距离(237674英里/382500公里)的四分之一。


  • 乘太空电梯登顶

升降舱将以每小时200英里的速度夹卷缆带爬升。(图片来源:LIFTPORT GROUP)

虽然缆带仍然是一个概念性的组成部分,但太空电梯的所有其他部件都可以使用现有技术来建造,包括自动升降舱、地面基站和激光动力系统。到缆带建成时,其他组件将在2018年左右的某个时候几乎准备好发射。

太空电梯的组成(图片来源:Medium)

升降舱(Lifter)

自动升降舱将利用缆带的引导升入太空,升降舱上的牵引滚轮会夹住并拉动缆带,使升降舱能够爬上电梯。

地面基站(Anchor Station)

太空电梯的起点将设置于赤道太平洋的一个移动平台,这个平台将把缆带固定在地球上。

配重物(Counterweight)

在缆带的顶部将装有一个沉重的配重物。太空电梯的早期计划包括捕获一颗小行星并将其用作配重。然而,像LiftPort和科学研究所(ISR)这样的计划,则准备使用人造配重物。事实上,配重物可能是由制造缆带的设备(包括用来发射缆带的航天器)组装而成的。

激光动力系统(Power Beam)

升降舱将由位于地面基站或其附近的自由电子激光系统提供动力。据ISR称,激光将向装置于在升降舱上由砷化镓(GaAs)制成的光伏电池发射2.4兆瓦的能量,然后光伏电池将能量转换成电能,供传统的铌磁直流电机使用。

上面这张艺术家制作的概念图中,升降舱由激光束驱动,并将能够携带多达13吨的货物进入太空。(图片来源:LIFTPORT GROUP)

一旦投入使用,升降舱几乎每天都可以爬太空电梯。这些升降舱的重量从最初的5吨到20吨不等。20吨重的升降舱将能够承载多达13吨的有效载荷,并拥有900立方米的太空。升降舱将以每小时118英里(190公里)的速度爬上缆带,运载从卫星到太阳能电池板等各种货物,以及人类。

  • 太空电梯的维护

太空电梯缆带将被固定在赤道太平洋的一个移动平台上。作为帮助太空电梯避让轨道碎片系统的一部分,移动平台可以重新定位。(图片来源:LIFTPORT GROUP)

在6.2万英里(10万公里)的长度上,太空电梯容易受到许多危险的影响,包括天气、太空垃圾和恐怖分子。随着太空电梯设计计划的推进,开发者正在评估这些风险并寻求克服这些风险的方法。事实上,为了确保总有一部太空电梯可投入工作,开发者计划建造多部电梯。在建造成本上,每一部都比前一部便宜。第一部太空电梯将作为一个平台,协助建造更多太空电梯。在这样做的过程中,开发人员正在确保,即使一台太空电梯遇到问题,其他电梯也可以继续向太空提供有效载荷。

避让太空碎片

据美国宇航局称,从硬币大小的火箭碎片到一辆双层巴士大小的报废卫星,超过50万个人造物体目前的轨道速度比子弹快20倍,即使是一颗小小的螺丝钉也足以用爆炸的手榴弹的力量击中一个正在工作的空间站。(图片来源:Gizmodo)

与太空站或航天飞机一样,太空电梯也需要能够避开轨道物体,如碎片和卫星。地面基站将采用主动避让的方式保护太空电梯不受此类物体的影响。目前,北美航空防务司令部(NORAD)可跟踪的目标大于10厘米(3.9英寸)。而保护太空电梯需要一个轨道碎片跟踪系统,可以探测大约1厘米(0.39英寸)大小的物体。目前其他太空项目正在开发这项技术。

“我们的计划是将缆带固定在海洋中的移动平台上,”LiftPort的汤姆·纽金特说,“实际上,你可以移动地面基站来把缆带从卫星上拉下来。”

应对恐怖袭击

太空电梯的孤立位置将为降低恐怖袭击风险带来很大的好处。举个例子,根据LiftPort的说法,第一个地面基站将设置于赤道太平洋,距离任何航线或航道404英里(650公里)。只有一小部分的太空电梯在各类型攻击范围内,即9.3英里(15公里)或以下。此外,太空电梯将是一种宝贵的全球资源,很可能受到美国和其他国家军事力量的保护。

  • 太空电梯的影响

艺术家制作的太阳视角概念图。(图片来源:LIFTPORT GROUP)

太空电梯潜在的全球影响可与另一项伟大的交通成就——美国横贯大陆铁路相比较。这条横贯大陆的铁路于1869年在犹他州的海角建成,第一次连接了美国的东西海岸,加速了美国西部的开拓。横跨全美的旅行从几个月减少到几天。它还开辟了新的市场,催生了全新的产业。到1893年,美国已经拥有了五条横贯大陆的铁路。

太空电梯的概念与横贯大陆的铁路有许多相同之处。太空电梯将创造一个永久的地空连接,永远不会关闭。虽然它不会使太空之旅更快,但它会使太空之旅更频繁,并将为太空发展开辟一个新时代。也许推动太空电梯项目的最大因素就是它将大大降低将货物送入太空的成本。虽然比化学推进的航天飞机速度要慢,但升降器能将发射成本从每磅10000~20000美元,降低到每磅约400美元。

太空电梯也提供了一种可能产生大量太阳能的方式:将太阳能电池板装置于太空电梯的侧面,这里的太阳光是未经过滤的,可以吸收比地球上多得多的能量。(图片来源:Wikipedia)

据《美国国家航空航天局第二阶段最终报告》(The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report)一书的作者布拉德利·爱德华兹(也是Carbon Designs的总裁和创始人)介绍,当前的估算显示,建造太空电梯的成本为60亿美元,法律和监管成本为40亿美元。可以对比参考的是,航天飞机计划在1971年预计成本为52亿美元,但最终耗资195亿美元,此外,每架航天飞机的飞行费用为5亿美元,是最初估计的50多倍。

亚特兰蒂斯号航天飞机于2011年7月8日在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心从39A号发射台发射升空。亚特兰蒂斯号STS-135为期12天的国际空间站任务是航天飞机项目的最后一次飞行任务。(图片来源: NASA/Bill Ingalls)

太空电梯可以取代航天飞机作为太空主要交通工具,用于卫星部署、国防、旅游和进一步的探索。针对最后一点,航天器可以爬上太空电梯的缆带,然后在太空中向其主要目标发射,这种类型的发射所需的燃料比从地球大气层中发射所需的燃料要少。一些设计师还认为,太空电梯可以建在包括火星在内的其他行星上。

火星太空电梯概念图(图片来源:Spaceelevatorblog)

美国宇航局资助爱德华兹博士进行了三年的研究。然而,在2005年,它只给研究太空电梯的公司拨款2800万美元。虽然他们仍然对这个项目很感兴趣,但目前他们更愿意坐等其更实质性的发展。

作者:KEVIN BONSOR

FY:胖头鱼

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