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太空电梯的原理是什么?到底有没有可行性呢?

太空电梯

电梯是现代社会一种非常普遍而又快捷的运输方式,在高楼林立的城市里面,要想爬个六七楼简直都要崩溃了,而早在19世纪末有科学家就提出建造太空电梯的想法,从地球将人类送往空间站,从理论上来说是可行的,但对于太空电梯的建造结构就是一个不小的难题,太空电梯到底可不可行呢?

太空电梯是什么?

太空电梯是人类构想的一种通往太空的设备。与普通电梯类似,不同的是,它的作用并不是让乘客往返于楼层之间,而是将他们送入距地球约3.6万公里的一座空间站。随着人类太空探索步伐的加快,科学家考虑设计一种太空电梯,实现外太空和地球之间更便捷的物资交换。

太空电梯的起源:

太空电梯的想法可以追溯回1895年,当时俄罗斯科学家Konstantin Tsiolkovsky受到当时刚建成的埃菲尔铁塔的启发,他开始思考,如果能够把铁塔建至35800公里的高度,就会直达地球静止轨道,那么就不需要火箭也可以把飞船送入太空。他的概念跟我们现在的想法差不多。科幻小说家克拉克在《天堂的喷泉》一书中也提到了主人公修建了一座太空电梯,更是激发了人们对太空电梯的极大兴趣。

2002年,NASA的Brad Edwards鼓励同僚重新思考现代版的太空电梯。Brad Edwards在报告中指出,一个可行的太空电梯应当包括四个部分:缆绳、锚、平衡锤和升降机。电梯部分由耐用的缆绳和机械升降机组成,从地面一直延伸到太空中。升降机和普通电梯一样,可以承载许多吨的设备仪器和人,沿着缆绳来回往返。在地球地面有一个非常重的锚把缆绳牢牢地束缚在地球上,在顶端则是一个平衡锤支撑着缆绳,平衡锤可以当成一个空间站。

太空电梯的原理:

从理论上来说,太空电梯是可行的,而且比火箭和宇宙飞船更节能,小孩拿着一个细绳,一端拴着重物,以手为轴心甩动绕圈,在靠近手心的一端绳子上有一只蚂蚁,在树甩动的过程中不停地向重物的一端爬,当蚂蚁达到那一端后,既达到了一定的高度,又拥有了转动的速度。这就是太空电梯的原理,发射火箭的推动力包括两个方向,一个是垂直上升,一个是与地球表面平行的横向加速,太空电梯就像绳子上的蚂蚁,手部的轴心就像自转的地球,只要顺着轨道往高处爬升,达到顶端时借助地球的自转,就拥有了平行地表的转动速度,比火箭节省了一个横向的推动力。

太空电梯的建筑构造:

太空电梯主要包括四个结构,地表基座、线缆轨道、太空舱、升降舱。升降的方式和普通的电梯类似,基座位于地球表面,稳固线缆的部分在地表之下,最顶层是电梯的出入口,太空舱是漂浮在近地轨道上的飞行器,线缆轨道连接基座和太空舱,升降舱是运载人和货物的空间。建造线缆轨道需要重量强、廉价、坚韧的材料,硬度比目前可造出来的材料都要更强,石墨烯和纳米钻石线是比较有前途的两种材料,但强度仍然不够,线缆需要承受大气腐蚀、辐射、陨石的撞击。

太空电梯将是人类历史上体量最大、建造难度最高的单体建筑,任何一次线缆的断裂都可能给人类或者太空带来难以弥补的伤害,所以建造过程必须一次成功。在材料和建造技术都还不成熟时,月球可以成为建造太空电梯的试验场,月球的重力更小,降低了材料强度的要求,防弹纤维就能够应用在月球太空电梯的建造中,还可以在小行星采矿来获取能源。

太空电梯的可行性:

美国《大众科学》杂志的丽贝卡·博伊尔表示,太空游客将搭乘类似电梯车厢的升降舱进入太空,升降舱系在碳纳米管制造的缆绳上;太空电梯缆绳全长为地月距离的四分之一,约9.6万公里,与太空中的一个配重相连。根据大林组的初步计划,升降舱可容纳30名游客,时速约合201公里。安装在轨道站上的太阳能电池板负责为太空电梯提供电量。搭乘这种电梯,游客需要一周多时间便可进入太空。

有专家曾经指出,纳米碳管还只是毫米级制品,距实用差距甚远;向3万多公里外的太空发射各种电梯建设材料花费巨大;这种“太空电梯”一旦因严重事故崩塌,空中和地面的损失也将十分惊人。专家们认为,面对这些难题,“天空电梯”短时间内恐怕很难开工。

还有,当太阳风向太空电梯施加压力时,来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍,太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸,这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此,太空电梯必须在内部建造推进器,以稳定太空电梯致命的摇摆振动,但这又将增加电梯建造的难度和建造维护成本。更多精彩文章关注微信公众号:iwuyiqu

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