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路人@行者

一个散漫的路人,欣赏一路的风景; 一个匆匆的行者,收罗行走的乐趣......

 
 
 

日志

 
 

[创意] 太空天梯 一步登天的未来畅想(36P)  

2012-05-01 13:44:57|  分类: 19水运与航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  征服天空,飞向宇宙,是人类自诞生以来的永恒梦想。早在莱特兄弟试验飞机、蒙哥尔菲兄弟用热气球克服地心引力、中国明代科学家万户为载人火箭试验献出生命之前,我们的祖先就已经构想出了一劳永逸实现登天之梦的计划,这就是《圣经·旧约·创世记》第11章中所记载的通天塔(巴比伦塔):大洪水劫后复兴的人类开始质疑上帝当初与自己立下的约定,祖先们试图建造一座可以直达天堂的高塔,这样当洪水再度爆发后,他们就可以在上帝的领域中找到自己的容身之地。而上帝则对人类公然质疑自己的行为感到愤怒,他让人类说不同的语言,使得整个计划的执行者之间不能沟通,通天塔因此成了烂尾楼;《聊斋志异》里的《偷桃》更神奇:一术士将一根绳子抛入云端,他儿子攀绳而上,从王母娘娘园中偷桃一个......

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天梯假象图

  空间电梯
  在科学理论和材料学突飞猛进,尤其是载人飞行器已经深入太空的今天,通天塔这一构想是否可行?科幻作家们对巴比伦塔的未来畅想已经有了眉目,那就是连接地球与太空的空间电梯(以下简称天梯)。游戏工作者们则很好地“山寨”了他们的理念:在《文明——天赋神权》(Civilization: Call to Power,1999年)中,空间电梯是一项奇观建筑;在《自由枪骑兵》(Freelancer,2003年)中,空间电梯是将小型飞船从轨道直接传送到行星表面的高速安全通道;在超任游戏《战斗冲击》(Battle Clash,1992年)中,“巴别塔”是大灾变之后人类通向外太空的唯一途径;而在近期推出的机甲题材动作游戏《前线任务进化》(Front Mission Evolved)中,空间电梯已经成为超级大国间扩张太空霸权的工具——USN(United States of the New Continent,新大陆合众国)的天梯被不明身份的武装分子破坏,这一事件导致了一场世界大战的爆发……对科幻题材游戏玩家而言,天梯的概念不仅相当熟悉,而且其结构、原理,也被我们的虚拟替身在游戏世界中“亲身”体验过。

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天梯理论的创始人,俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基

  概念的雏形
  “天梯”作为一个科学概念,最早是于1895年,由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出的,其灵感来源,便是法国的新落成的标志性建筑——埃菲尔铁塔。齐奥尔科夫斯基构想了这样了一个可以让人类自由通行于地表与太空的设计:在距离海平面35790千米的地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡,充当“电梯”的平衡锤,用缆绳将其与地面基站连接起来,通过发动力拉动滑轮组,将货物和人员从地球送往太空。在提出这一构想的同时,齐奥尔科夫斯基也指出了其实现过程中的两个难点:“太空城堡”必须维持一定的轨道速度,避免脱离地球轨道,在惯性作用下甩入太空;缆绳的材料必须非常坚固。

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齐奥尔科夫斯基构想下的天梯结构——在地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡

  时至今日,将“城堡”送入太空已经成为了可能(人造卫星等),纳米技术的突飞猛进,也让当初这位俄国科学家所担心的材料问题得到了解决。与科幻题材影视、游戏所描述的那些更具未来感的封闭式天梯不同的是,齐奥尔科夫斯基当初构想中由“纺锤”、缆绳、基站和货舱组成的“四大件”,被后来的科学家证明是最具可行性的设计。因为封闭结构的天梯会受到地球自转、狂风、平衡、造价以及地基强度等一系列问题的影响。2002年,美国登月计划参与者之一的Brad Edward博士,在华盛顿创建了LiftPort集团,正在以齐奥尔科夫斯基的构想来实现人类“一步登天”的伟大梦想。

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LiftPort集团的首页,页面上首要的问题就是:什么是空间电梯?

  基本结构:地面基站
  在“光环”的世界观中,人类历史上第一座天梯于2302年正式建成,它的地面基站设立在肯尼亚的蒙巴萨岛,围绕通天塔形成了一座没有机场、没有码头的新型港口城市——新蒙巴萨。从《光环2》(Halo 2,2004年)中的描绘来看,这个城市由无数金属打造的巨型仓库组成,磁悬浮列车组成了复杂的交通网络,将货物从城市中的各个位置运送到基站,再通过天梯将其送入太空。到Halo正篇故事开始的时候,赤道地区已经建设了7座“通天之城”,包括《光环3》多人地图中出现的位于厄瓜多尔首度基多的天梯,以及“光环”小说《奥星幽灵》(Ghosts of Onyx,2006年)中提到的建立于古巴首都哈瓦那的“联合国星际指挥部(UMSC)百年纪念”天梯。《席德·梅尔的文明Ⅳ》(Sid Meier's Civilization IV,2007年)更是将“北纬30度”作为建造天梯这一奇观建筑的必备条件。

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LiftPort构想下的天梯结构,基本原理沿袭了康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的思路

  为什么科幻作家构想的天梯的基点均位于赤道呢?因为地球自转所产生的离心力,使赤道位置建造的天梯能够一定程度上忽视引力的作用,也就是说,不需要像《圣经·创世纪》所描写的那样,用砖头一层一层地把塔盖起来,只要海面上端与下端的电梯长度一样,就可以靠地球的引力和离心力,把电梯像绳子一样两端拉紧,这种条件只有在赤道上可行,在这里重力、离心力、惯性力的矢量维持在一个平面,并且重力和离心力相抵消,惯性力给其他两力垂直方向“刹车”,整个天梯的结构就会处于一个相当稳定的状态。

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Bradley Edward博士,现代天梯的实践者

  在赤道地区建立天梯的考虑还包括这里的商业航班相对较少,但赤道地区的强烈空气对流活动异常频繁,因此,天梯基站的最佳建造地点,只能位于赤道两侧各5°~10°的低纬度海拔地区的“赤道无风带”内。翻开地图,我们可以找到这样几个绝佳地点:非洲的刚果河(扎伊尔河)流域、南美洲的亚马逊河流域和亚洲与大洋洲间从苏门答腊岛到新几内亚岛一带,这些区域就是建造“太空巴别塔”的最佳地点。

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货仓结构想象图

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货仓结构示意图

  如果要在外星球上建造天梯,理论上要求相比地球低,基站的选址也不会太复杂,因为它们一般来说重力较小,且没有大气因素影响。2002年的RPG游戏《超人宇宙》(Transhuman Space)里,人类文明的第一座天梯就是在火星建成的。不过其前提必须是人类已经实现了外星殖民,而这一事件似乎应该要在天梯建成之后才会发生的吧……

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《前线任务进化》里,重力锤被破坏后沦为太空垃圾的天梯

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天梯看起来不错

  基本结构:缆绳
  在能够承受货物的重量之前,天梯的缆绳必须承载的是自身的重量,即便是以尼龙绳为材料,从基站到重力锤的缆绳质量将达到17532吨的惊人数字。绳索的强度并非只要征服重力,天梯的原理与其说是“钓鱼”,不如说是“放风筝”,绳索会受到多股向不同方向作用的力的考验,最保守的估计,材料的强度系数必须达到50000 kN.m/kg ,而最精良的钢绳,其强度只能达到这一数字的百分之一。天梯的难关,恰恰在于缆绳的制作材料,它必须具有非常高的弹性模量,抗张强度也需要非常高,同时重量还必须很轻,成本也不能高昂。而科学家所考虑过的材料,要么是强度不够,要么就是不够柔韧,无法制成缆绳,而且拉力抗性也很弱。

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“光环”中设在新蒙巴萨天梯,左侧的正是即将启动太空跳跃的星盟旗舰

  Arthur C. Clarke的小说《天堂的喷泉》(The Fountains of Paradise,1979年),就对这种材料进行了畅想。它的第一次出场是在一个展示会上。研制者用它制成细线,拴住一只金属球。由于线只有几微米粗,肉眼看不到,观众只看到金属球“浮”在空中,可如果谁的手不慎划过金属球的上方,就会被割断,因为这根细线比最锋利的刀刃都锋利百倍。近年来之所以天梯计划取得了突破性的进展,其突破口在于纳米技术的进步,碳纳米管这一新兴材料的出现,让天梯不再是一个纯粹意义上的科幻概念。这种材料在强度上比钢高100倍,重量只有其六分之一,但却可以具备橡胶那样的柔韧性。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维,那么就有可能制作出制造天梯缆绳所需的细丝。目前这一技术也面临着瓶颈:科学家尚无法将碳纳米管聚合成纤维或带状,最长的碳纳米管绳的长度也只有5厘米。

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《前线任务进化》中,两个超级强权围绕着各自的天梯进行殊死对抗

  基本结构:平衡锤
  如果将天梯比喻为绳球游戏,那么上文介绍的碳纳米管就是“绳子”,而在地球轨道上充当天梯终点的平衡锤就是“球”。“球”必须围绕立柱作高速旋转,这样才可以使“绳子”拉得很紧(让缆绳始终与地表垂直)。作为悬挂着超过5000吨质量物体的“天钩”,平衡锤的功能绝非同步卫星所能胜任。这是因为,一个普通的地球同步轨道卫星,它做圆周运动的离心力和其重力保持平衡后,就可以保持轨道,因为其重量轻,所以它的轨道速度保持与地球同步时产生的离心力可以支撑其重力。而天梯的平衡锤必须支撑整个电梯的重量,必须有很大的离心力来将整个设备拉住,单靠天梯自己本身的重量产生的离心力的话,位于静止轨道末端的质量就必须非常大。这也是为什么在科幻作品所表现的场面中,一旦平衡锤受到了攻击,整个天梯的结构就会瞬间解体的原因。《狂野禁区》(Z.O.E. Dolores,i)中的反派势力就是这么做的,好在这部动漫中,天梯的平衡锤启动了紧急配重,用于保持天梯稳定性的设计,因而免遭毁灭。

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《机动战士高达00》中的天梯示意图

  最早科学家们曾经构想过用捕获的陨石来充当平衡锤,之后也有人设想过在地球静止轨道上建造一座专用的太空站,但其所需的巨额资金,已经违背了天梯“低成本进出太空”的设计理念。到了21世纪,天梯计划的“总设计师”Brad Edward早先的解决方案是这样的:将缆绳缠成一个轴状物,通过火箭发射到地球静止轨道后将其散开,使缆绳落回到地球上。同时,这个轴状物会继续向上运动到更高的高度。当缆绳落入地球的大气层时,就会有相应的装置捕捉到它并使它继续下落,直到与地面基站紧紧地联系到一起,然后将平衡锤分许多批从地面直接升入太空,最终取代顶端的“纺锤”。

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《空中魂斗罗》中的轨道电梯

  2005年,这位科学家又推出了更加前卫的设计:从位于地球静止轨道的天梯终点,再向上建造一个“上天梯”,使其产生的离心力合力能够平衡“下天梯”(从平衡锤到地面基站的部分)受到的地球引力的合力。沿着上天梯向上走,点的位置越高,线速度越大,产生的离心力随之增大,而地球引力却越来越小。这就使上天梯受到一个向上的合力。当这个向上的合力与下天梯受到的向下的合力相等时,整个天梯就能悬在太空,并且以与地球自转相同的速度旋转而掉不下来。

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天梯在“光环”的世界观中,拥有者重要的战略价值

  基本结构:货舱
  由于结构、动力和材料上的限制,天梯的货舱不可能像我们日常使用的电梯那样“吊上吊下”,它必须通过自身的动力向上“爬”。目前LiftPort集团实验的空天货舱,只能实现每秒2米的爬升距离,下一阶段的目标也仅为每秒5米,整个登天所耗费的时间将超过80天。即便电梯可以像高铁那样保持300公里的时速,货舱也需要5天时间才能走完这段登天旅程。这其中还要考虑辐射带、无限能量传输、进出大气层等一系列的技术难题。天梯的货舱,也是制约这一连接空天的伟大工程变成现实的难题。

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断裂中的天梯

  经济和政治上的双重风险
  科技的发展和推广,总是与经济利益联系在一起的。太空天梯一旦建成,就可昼夜不停地开展运输工作,把旅游者和货物送入太空,并大大降低运送费用。目前火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需耗费2万美元,而太空天梯运送每公斤物品仅需10美元。作为一种总体造价不会超过100亿美元,且可以永久使用的的登天途径,天梯将要直接冲击的,是以卫星发射为代表的航天业务。这也是为什么洛克希德·马丁、美国太空总署、波音公司等航空航天巨头均对天梯计划表示过合作意向,但却从未予进行过实质合作的原因。

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被摧毁后的新蒙巴萨天梯,只剩下了地面上的一些支撑结构,但按照今天比较成熟的设想,是不可能出现如此惨烈的状况的

  当天梯所能带来的新利益远远超过它所能冲击的旧利益的时候,这一计划才能真正从理论演变为现实。在《机动战士高达00》(Mobile Suit Gundam 00,机动戦士ガンダム00,2007年)中,地球的化石能源已经枯竭。世界上的三大强权:以美国为中心的“世界经济联合”(UNION);以亚洲主要国家构成“人类革新联盟”(人革联);以及以欧盟为中心的“新欧洲共同体”(AEU),分别在亚马逊河上游、所罗门群岛和非洲维多利亚湖建造了3座天梯,用于运送建造巨大太阳能卫星的材料。2307年,以3座长度约5万公里的轨道升降机为中心,巨大的太阳能发电卫星建造完成。在获得永久性能源之后,3个超级强权都非常惧怕属于自己的这座脆弱的巨塔会遭到攻击,为了自身的安全和霸权,他们将冲突扩大为了世界性的战争。

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《红色火星》是获得星云奖的“火星”三部曲之一

  通过上文的介绍和分析不难看出,天梯从设计到投入使用,需要先进的科学、超强的工业基础以及雄厚的综合国力的支持,此外其远离本土部署,以及易受攻击的弱点,让建造国还必须有一定的洲际兵力投放能力,用于在建造和运营过程中的防御。目前具备天梯制造实力的,似乎也只有美、俄和欧盟等传统大国和经济体,它们在赤道附近并没有领土,因此天梯的建设和防护,也可能引发一系列的地区性争端。国际上通用的80公里以上空域为国际共有的习惯,会给天梯在遭到攻击时的责任认定带来了一系列的法理难题。超级强权之间针对天梯的攻击和报复,也可能成为全球范围内剧烈冲突的导火索。

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《天堂的喷泉》某一版本的封面

  脆弱的安全性
  在科幻题材游戏中,天梯往往是伴随着毁灭出现的。80后玩家的射击“启蒙”游戏——《最后任务》(Final Mission,即“空中魂斗罗”,1991年),天梯就作为了外星人以“自上而下”的方式入侵地球的通道,而两位地球勇士,通过被外星人改造后的天梯逆向突入了它们的旗舰,并最终将其一网打尽。除了外星人以外,天梯自身还可能会遭受那些灾难呢?

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日本天梯协会(JSEA)设计的平衡锤和天梯构造模型
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  纳米碳管是已知强度最高的人造材料,充当天梯绳索的这种材料必须制作得宽而薄,而活跃在200km至700km低地球轨道上的原子氧,恰恰最容易腐蚀这种形状的航天材料。天梯的绳索一旦固定,就无法进行检查和维护,一旦发生破损,则后果不堪设想。金和铂金是两种可以对原子氧腐蚀性完全免疫的金属,但用其充当天梯绳索的外层,这在经济上恐怕是不允许的。

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LiftPort集团的天梯项目时间表,目前它们正处于试用热气球充当天钩和平衡锤的初级阶段

  为了维持天梯的稳定性,绳索材料上的单个纳米管必须承受得住平均约100吉帕斯卡(GPa)的压力,这恰恰是这种人造材料在理论上所能承载的极限。如果每流失一个碳原子,其强度便会相应降低30%。由于碳纳米管很难直接加工成缆绳形状,必须将单个的纳米管“打结”。研究人员最近对高质量纳米管的测算发现,纳米管缆绳每打1012个结,便会流失一个碳原子,而每4微米长的纳米管便会有一个缺陷。虽然两个以上的原子流失极为罕见,但在总长度超过10万公里的天梯缆绳上,是很难保证这种原子级别的加工精度的。

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实验人员正在利用塑料缆绳来模拟如何在高空捕捉缆绳,并且准确与地面基站连结到一起

  天梯的稳定性一旦遭到破坏,接下来的惨剧又会是怎样呢?“光环”系列是迄今为止科幻题材娱乐产品中拥有天梯数量最多的游戏,在游戏和小说中所描述过星球中,地球和丰饶星各自拥有7座,致远星拥有3座,由此可见天梯对于人类的太空战略价值。这些宇宙通天塔大都在人类与星盟的战争中被毁,它们屹立在荒原上的基站残骸,无声地诉说着这场星际战争的惨烈。

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碳管绳更像是一根带子

  在蒙巴萨之战中,人类军队首先关闭了太空电梯,阻止星盟的地面部队利用“通天塔”直接登陆地表。然而悲怆先知的旗舰在新蒙巴萨上空发动了超太空跳跃,巨大的冲击波让天梯的缆绳出现了多处破损。一小时后,基站定锚点上方两公里的缆绳发生了破裂,整个上天梯就像断了线的风筝一样,瞬间就被静止轨道上巨大的平衡锤拖入太空。地面基站上方的支撑结构也被拽得七零八落。在《光环3》的预告片中,整个天梯只剩下了几个光秃秃的用于固定缆绳的圆环。

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平衡锤将“上天梯”和“下天梯”分割开来,它的稳定与否将影响整个天梯的运转

  如果断裂的位置发生在中间位置(25000km),则天梯就会一分为二,上半部分跟随平衡锤进入更高的轨道,下半部分则会犹如一条断裂的丝带飘落。在科幻作家David Gerrold的小说《跳跃行星》(Jumping off the Planet,2000年),以及Kim Stanley Robinson的《赤色火星》(Red Mars,1992年)中均为读者们呈现过这一场面。在《光环2》中,电、天梯解体后的残骸摧毁了整个Voi镇,蒙巴萨岛上的诸多基础设施,如察佛高速公路(Tsavo Highway)也被彻底破坏。实际上,坠入地表的天梯缆绳很难产生如此这般的破坏力:一公里长的碳纳米管的重量才不到一千克,并且拥有一米的宽度和不到0.5毫米的厚度,在空气阻力的作用下,会如纸张般的飘落而下。除非地面基站内部的核反应堆或燃料仓爆炸,否则天梯的解体并不会带来严重的连带破坏。

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漫画家们对待天梯的态度:一旦外星人入侵地球的事件发生,那么天梯将成为小绿人们快速登陆地表的战略点

  如果平衡锤被击毁,那么缆绳就会被拽回地面(大气层以外的部分会被烧毁)。这样的悲剧在“光环”系列的故事中发生了两次:位于丰饶星轨道的天梯平衡锤——Tiara空间站被星盟占领,敌方旗舰“激流猛进”(Rapid Conversion)号即将对人类殖民地展开轨道饱和轰炸,人工智能程序Loki控制轨道炮,将Tiara空间站摧毁,整个天梯也在眨眼间坠入大气层。充当哈瓦那“百年纪念”天梯重力锤的Wayward Rest空间站,在地球战役中的毁灭更具悲壮色彩:一名斯巴达Ⅱ型战士在一艘靠近空间站的星盟驱逐舰内引爆了6枚芬里斯核弹,使得这艘地球上仅存的天梯也一同灰飞烟灭。

  结语
  有报道说,2008年,日本已经投入了建造天梯的前期准备工作。在本文截稿的时候,传来了LiftPort集团的工程师用无线能量传输方式,将电梯传送到了900米位置的消息,他们还宣称在20年以内,天梯将彻底脱下科幻的外衣,成为人类征服太空的一道丰碑。(发表于2010年《大众软件》10月中)

  事实上,美国NASA近年来一直非常重视“太空电梯”研究项目,并将建造“太空电梯”列为了“百年挑战”计划的一部分,此外从2005年开始,NASA还发起了机器人攀爬缆绳竞赛和测试缆绳强度竞赛。在2009年9月的一场比赛中,一架直升机在千米高空盘旋飞行,直升机上垂下一根用来比赛的钢缆,美国西雅图的“激光动力”公司使用激光能,成功让一个机器人在几分钟时间内沿这根钢缆爬了900米的高度,从而一举赢得了该年度的“NASA太空电梯光束动力挑战赛”大奖。


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  天梯(Jacob's ladder),又译空间电梯,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。这个方案旨在建造一部称作天梯的运输工具。
  对于建造在地球上的天梯,平衡锤需要位于距离地面至少3.6万千米上空,使用3.6万千米长的缆绳与地面连接。这种缆绳必须十分结实,目前已经的材料中,只有碳纳米管可以胜任。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天梯,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。天梯的概念最初出现在1895年,但是甚至就在几年前,它还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。随着近年纳米技术取得的突破性进展,建造一部现实的天梯已经成为可能,预计其建造成本约100亿美元,远少于超过国际空间站或航天飞机计划的投资。

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地面之间上下移动。
  地面基站:地面基站用于将缆绳固定在地面上,并为货舱的移动提供能源,能量通过激光传送到货舱。[创意] 太空天梯 一步登天的未来畅想(36P) - 路人@行者 - 路人@行者

核心部件
  天梯的核心部件将是碳纳米管合成缆绳,它只有几厘米宽,几乎只有一张纸那么厚。碳纳米管发现于1991年,它的发现使科学家认为天梯是能够建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·爱德华兹(Bradley Edwards)博士称,“以前,找到合适的材料难度太大了。但现在,我们离实现这一目标越来越近,因为在制造碳纳米管和有效的拉丝机方面都取得了进展,这种拉丝机能将制作伸向太空的缆绳所需的材料拉得足够长。”
  碳纳米管在强度上可能会比钢高100倍,但却像塑料一样柔韧。碳纳米管之所以会有如此高的强度,是因为它们具有类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维,那么就有可能制作出形成天梯缆绳所需的细丝。以前考虑的材料要么是强度不够,要么是不够柔韧,无法制成缆绳,而且易断。
  太空电梯公司的研究主管汤姆·纽金特(Tom Nugent)说,“这种材料具有非常高的弹性模量,并且它们的抗张强度也非常高,而且,理论上使天梯相对容易建造的所有材料特性,这种材料都具备了。”
  制作缆绳:用数米或更长的长碳纳米管编成类似绳子的结构。截至2005年,最长的纳米管也只有几厘米长。可以将较短的纳米管置入到聚合物基中。目前的聚合物与碳纳米管之间结合得不够紧密,因而在拉紧时会将基质拉离碳纳米管。一旦制作出长碳纳米管缆绳,就会将它缠成一个轴状物发射到轨道中。当太空船载着这个轴状物飞至特定高度(可能是近地轨道)时,它就会开始将这个轴状物散开,使缆绳落回到地球上。同时,这个轴状物会继续向上运动到更高的高度。当缆绳落入地球的大气层时,就会有相应的装置捕捉到它并使它继续下落,最后将它锚定到海洋中的一个移动平台上。这条缆绳有点像铁轨,将用作进入太空的航线。这样,就可以用机械升降机顺着这条缆绳上升到太空中。

使用
  尽管缆绳仍是一个处在概念阶段的部件,但天梯的所有其他部件均可以利用现有的技术制造出来,这些部件包括机械升降机、锚站和光束动力系统。到缆绳制造出来时,其他部件也差不多都准备好了,在2018年左右即可实现发射。
  升降机:机械升降机将顺着缆绳升入太空。升降机上的滚轮夹紧缆绳,滚轮胎面与缆绳之间的摩擦力往下拉绳索,这样,摩擦力产生的反作用就会使升降机得以顺着天梯向上攀爬。
  锚站:天梯的下端将连在赤道附近的太平洋海域中的一个移动平台上,该平台将缆绳锚定在地球上。
  平衡站:缆绳的最顶端将有一个很重的平衡站。在早期的天梯计划中,曾考虑捕捉一颗小行星并将它用作平衡站。但是,在太空电梯公司和科学研究所(ISR)最近关于天梯的计划中,多数还是考虑使用人造平衡站。实际上,可以将用来制造缆绳的设备(包括用来发射缆绳的太空船)组装成平衡站。
  动力光束:升降机将利用位于锚站或锚站附近的自由电子激光系统来提供动力。ISR称,这种激光会将2.4兆瓦特的能量传送给附着在升降机上的光电池,这种光电池可能由砷化镓(GaAs)制成,然后光电池可以将这些能量转化成电能以供传统的铌磁直流电电动机使用。
  一旦投入使用,升降机几乎每天都可以在天梯上往返运动。升降机的大小各异,最初为5吨,最大可达20吨。20吨重的升降机的有效载荷可达13吨,其内部有900立方米的空间。升降机将以约190公里/小时的速度顺着缆绳向上运载货物,所运货物从人造卫星到太阳能电池板,五花八门,最后它还将载人上天。

保持正常运转
  位于100,000公里的高空中时,天梯将很容易遭到包括天气、空间碎片和恐怖分子在内的许多危险因素的破坏。随着天梯从计划阶段走向设计阶段,开发人员开始考虑这些危险因素及相应的克服办法。实际上,为了确保始终都有可以使用的天梯,开发人员计划建造多个天梯。从第一个天梯开始,后续天梯的建造成本将依次递减。第一个天梯将用作其他天梯的建造平台。开发人员通过这样做来确保在某一个天梯遇到问题的情况下,其他天梯仍能继续向太空运送人员和物资。

避开空间碎片
  与空间站或宇宙飞船一样,天梯将需要具备避开碎片、人造卫星等轨道物体的能力。锚定平台将采取主动回避措施来保护天梯免遭此类物体的破坏。目前,北美防空司令部(NORAD)所跟踪物体的大小都在10厘米以上。保护天梯需要配备轨道碎片跟踪系统,它能够探测到大小为1厘米左右的物体。目前正在为其他空间计划开发这项技术。
  “我们的计划是将缆绳锚定到海洋中的一个移动平台上,”太空电梯公司的汤姆·纽金特(Tom Nugent)说,“实际上你可以来回移动锚定点的位置,从而将缆绳拉离人造卫星的航道。”

防御攻击
  将天梯置于偏远位置将是降低恐怖分子攻击风险的最佳方法。举例来说,第一个锚定点将位于赤道附近的太平洋海域,与任何空中航线或海洋航线的距离至少为650公里,这是太空电梯公司透露的信息。任何攻击都只能威胁到天梯的一小部分装置,即15公里处及以下的所有装置。此外,天梯将是十分宝贵的全球资源,可能会受到美国及其他国家/地区军队的保护。

研究进展
  天梯对全球带来的潜在影响力堪与另一项伟大的运输成就美国洲际铁路相媲美。这条洲际铁路于1869年在美国犹他州的普瑞蒙特瑞(Promontory)竣工,它首次连通了美国的东海岸和西海岸,加快了美国西进运动的进程。这条铁路建成后,横贯全美的旅行只需几天就可以完成,而在此之前则需数月。它还开拓了新的市场,诸多全新的产业皆因它而兴起。到1893年,美国已建成五条洲际铁路。
  天梯这一想法与洲际铁路有许多相通之处。天梯将开创地球与太空之间永恒的连通之门,这道门永远都不会关闭。虽然它不会加快太空之行的速度,却能使太空与地球之间的往来更为频繁,并将开创一个崭新的发展时代。天梯的建成将大大降低向太空运送货物的成本,或许这就是促成天梯这一想法的最大动力。尽管天梯的升降机比采用化学推进的宇宙飞船慢,但这种升降机却将每公斤的发射成本从22000到44000美元降到900美元左右。
  据“天梯——NIAC第二阶段最终研究报告”(The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report)的作者布拉德利·爱德华兹透露,目前估算的天梯建造成本为60亿美元,法律法规方面的费用为40亿美元(爱德华兹就是布拉德利·卡尔·爱德华兹博士,他是“碳设计”(Carbon Designs)公司的总裁和创始人)。相比之下,1971年预测的宇宙飞船计划的成本为52亿美元,但最终却耗费了195亿美元。此外,宇宙飞船每飞行一次都要耗费5亿美元,这一数字超过当初估算的50多倍。
  天梯可能会取代宇宙飞船成为主要的航天器,并将用于人造卫星部署、国防、旅游和其他开发。再往后,太空船将顺着天梯的缆绳攀升至太空中,然后再朝向其主目标发射。这种发射方式所需的燃料更少,因为它省下了采用传统方式发射时冲出地球大气层所需要的部分燃料。有些设计人员还认为,天梯可以建在包括火星在内的其他行星上。
  NASA曾资助爱德华兹博士的研究长达三年。但在2005年,它仅给研究天梯的各家公司提供了2800万美元的奖金。尽管它仍然非常关注这一计划,但眼下它更愿意静观其变,等待出现更为实质性的进展。


[创意] 太空天梯 一步登天的未来畅想(36P) - 路人@行者 - 路人@行者天梯 现代快报 2012年2月24日
[创意] 太空天梯 一步登天的未来畅想(36P) - 路人@行者 - 路人@行者
  “太空升降机”设计概念图

太空中观光
可以乘什么
  日本大林组建筑公司宣布,计划2050年建成“天梯”,延伸至距地面9.6万千米的太空。届时,普通人有望乘坐天梯,从3.6万千米高处欣赏美丽的地球。

这趟“电梯”要乘7天半
  《日本时报》23日援引大林组的话报道,天梯概念早就出现在科幻小说中,1991年碳纳米管的问世使得建造天梯成为可能。碳纳米管是一种轻型材料,强度超过钢20倍。
  按照大林组的构想,天梯一头固定在地面宇航中心,另一头配备平衡装置。电梯车一次可搭载30人,以每小时200千米的速度上升,大约7天半后抵达建在3.6万千米高处的轨道太空站。
  天梯项目负责人胜山里美说,太空站是普通旅行者的终点站,配有生活区域和实验室;研究人员和专家可以继续前行,一直到天梯尽头。

从太空往地面修建
  胜山里美说:“人们素来喜欢高塔。我们不是从地面修建(天梯),而是从太空建造。”
  大林组计划大约2025年开始修建天梯,先发射火箭将两卷用碳纳米管和其他材料制成的缆索运至距地大约300千米的位置;再用宇宙飞船解开缆索,朝地面放去;与此同时,飞船继续飞升,攀至9.6万千米高处。这一高度大约是地球与月球距离的四分之一。
  大林组说,缆索将用电梯车加固,从地面升至顶端,共加固510次。天梯可能采用磁直线电机作为部分动力,另外部分来自太空站附近的太阳能发电设备。

建在哪、谁掏钱全都不知道
  胜山里美说,大林组目前无法计算建造天梯耗资多少,也不知道在哪里建造,或者谁来“埋单”,“但我们将努力稳步发展,以免天梯停留在梦想阶段”。
  她说,大林组承建的“东京天空树”完工在即。这座高634米的铁塔将于5月启用,用于发射数字讯号和观光。
  “受此鼓舞,我们的建筑、气候、风力和设计专家说,它(建造天梯)可能实现,”胜山里美说,“我们希望实现这一项目,它将极大节省今后太空发展的费用。”

  有意建造天梯的不止大林组一家,美国国家航空航天局(NASA)等数家机构也有此意向。
黄敏(新华社供本报特稿)


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LaserMotive赢得2010年NASA宇宙天梯设计比赛冠军
[创意] 太空天梯 一步登天的未来畅想(36P) - 路人@行者 - 路人@行者LaserMotive finally wins NASA's Elevator:2010 Beam Power hallenge, climbs at 3.9 meters/second
By Tim Stevens posted November 9th 2009 6:43AM

  一个名为LaserMotive 的工作组近日赢得了NASA 的宇宙天梯设计比赛2010 Beam Power Challenge 冠军。LaserMotive 设计了一种激光驱动的运载机器,能够顺着电缆以每秒钟3.9米的速度向上(延伸到宇宙)爬升。LaserMotive 将获得NASA 90w美元的奖金。
  太空天梯的地面入口会设计在点球赤道附近,然后使用几千公里的电缆一直延伸到天空中的‘站台’。科学家们希望能设计一个运载机器人顺着电缆爬上爬下。
  NASA 的天梯设计比赛每年一次,从2005年开始,获胜团队将获得90w美元的奖励。所有设计的运载机器人都要在加州某军事基地进行测试。
  NASA 将为第一个速度达到每秒钟5米的运载机器人奖励110w美元。


美公司拟造月球太空梯有望十年内成真

  新浪科技讯 北京时间8月2日消息,据国外媒体报道,早在19世纪晚期,就有人提出了太空梯概念,虽然历经数十年研究,但太空梯描绘的廉价轨道之旅的远景,可能距现实仍然遥远。最大的挑战在于没有人能用超轻、超强度碳纳米管成功造出数万公里长的缆绳。不过,美国企业家迈克尔-莱恩认为,利用现有材料就可以制造从月球表面延伸出来的月球梯”。

  对缆绳强度的要求降低

  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。

  穿越地月系拉格朗日L1点

  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。”

  或成前往火星的中转站

  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。

  对月球梯项目寄予厚望

  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。”(秋凌)
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