注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

从科幻走来的太空电梯  

2014-05-18 22:09:55|  分类: Discuz |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

       太空电梯曾经是人类久远的梦想,人类航天先驱、俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基早在1895年就提出了太空电梯的概念。不过齐奥尔科夫斯基被尊称为航天之父,却是因为他更著名的火箭方程。迄今为止人类都是依靠火箭进入太空的,虽然人类已经发射了大量的应用卫星、深空探测器,还有载人飞船和空间站,但使用一次性的火箭进入太空还是太昂贵了,很多人试图研制可重复使用的运载火箭降低进入太空的成本,但几十年来即使是最成功的航天飞机也没能达成这个目标,其实最大的困难就在于复杂先进的动力系统和再入防热系统,而太空电梯从理论上就避开了这些障碍。随着人类材料技术的发展,太空电梯的概念终于迎来了一线曙光。很多科学家都预计,21世纪太空电梯有望投入使用。

 

       太空电梯的基本原理和构造极其简单,但是应用的技术尤其是材料技术却仍是高不可攀的高山。太空电梯的基本设计就是一条长长的缆绳,它的一端固定在地球表面,另一端固定在地球静止轨道的航天器如大型空间站上。静止轨道上的空间站绕行地球的角速度正好和地面自转角速度一致,因此缆绳的两端可以保持相对静止,这也是唯一适合放置太空电梯平台的轨道。不过即使如此,根据简单的公式V=(GM/R)^0.5计算,在静止轨道以下的部分,其绕行地球的速度都低于那个高度的轨道速度,因此无法抵消重力,越靠近地球缆绳受到的拉力越大,在重力作用下缆绳将被绷紧。为了克服长达35800千米的巨型缆绳及其相关附属设备和运输载荷的受到的向心力,地球静止轨道上的空间站还必须向深空甩出一条同样极长的缆绳,这条缆绳将产生巨大的离心力,从而使地球静止轨道的航天器两端受力平衡。货物或者说载荷以电力为能源从地面上行,经过漫长的旅程最终抵达地球静止轨道的空间站,在上行过程中绕行地球的线速度会从约340/秒的地面自转速度增加到地球静止轨道的环绕速度3.08千米/秒,这个加速同样是太空电梯提升装置提供的。静止轨道上的空间站接收货物或者说载荷后,直接释放无需加速即可进入轨道。不过对于其他高度的轨道,问题就麻烦的多了,如常用的距离地面数百千米的地球低轨道,太空电梯将载荷提升到这个高度时,其切向速度远低于这个高度的轨道速度,直接释放的话会抛物线坠向地面,因此仍然需要大推力的火箭推进系统加速才能完成入轨。至于对地观测卫星更常用的太阳同步轨道,由于卫星在轨道上是逆行的,太空电梯上分离出来的卫星的切向速度反而需要自身推进系统抵消,太空电梯减低成本的效果就更不明显了。

由于太空电梯仅需要提升货物高度和加速的能量,运营所需费用要低于曾经的航天飞机和一次性的运载火箭,也比类似Skylon这样的空天飞机低得多。如果要做一个类比的话,一次性火箭和太空电梯的对比,很类似目前的防空导弹和激光炮,单发防空导弹费用就高达数十万美元,而激光炮一次射击仅需要数美元。当然太空电梯并没有这么明显的费效比,因为将货物提升到静止轨道需要的能量也是极为巨大的,据美国航空航天局先进概念研究院(NIAC)的研究,克服重力将货物提升到静止轨道上的空间站,理论上每千克货物大约需要50兆焦能量。考虑到电能用于提升货物的转化效率很低,一个长达35800千米的太空电梯系统初步估算效率可能只有0.5%,他们根据美国电价进一步计算出这样的太空电梯运送货物到地球静止轨道的成本约为100美元/磅,或者说约220美元/千克。传统火箭中即使是以廉价著称的太空探索技术公司的猎鹰九号火箭,地球同步转移轨道的发射成本都高达约11650美元/千克,太空电梯的费效比要比火箭高太多了。马克思曾说过:一旦有适当的利润,资本就胆大起来。如果有百分之十的利润,它就保证被到处使用;有百分之二十的利润,它就活跃起来;有百分之五十的利润,它就铤而走险;为了百分之一百的利润,它就敢践踏一切人间法律;有百分之三百的利润,它就敢犯任何罪行,甚至冒绞首的危险。太空电梯的成本仅有火箭的不到1/50,它可能带来的市场扩大和高额利润更是让人心动,尽管目前研制和制造太空电梯仍有巨大的技术困难,但只要理论上是可行的,人类必然坚持不懈的研究太空电梯。

        太空电梯最大的难度就在于它巨大的缆绳,从地面到静止轨道长达35800千 米,而缆绳的长度还要远长于此。缆绳材料必须非常轻,非常牢固,甚至能够经受大气层内小型物体的撞击。尽管齐奥尔科夫斯基早就提出了太空电梯的设想,但如 此长的缆绳是对强度的要求是极为惊人的,目前人类手中的任何成熟材料都会因为自身的质量而断裂。根据纯粹的理论计算,连接地面和地球静止轨道长达35800千米的太空电梯缆绳的强度要求,相当于在1g重力下长度4960千米的缆绳仍不断裂的强度要求,NIAC的科学家爱德华计算后认为需要达到100GPa的抗拉强度,但人类现有的芳纶或是碳纤维都离这个要求远得很,缆绳的强度问题构成了目前太空电梯研究中的最大问题,好在新发现的碳纳米管材料可以满足太空电梯缆绳的强度要求,为太空电梯概念带来了希望。

由于已有材料强度和天梯缆绳理论需求强度的巨大差距,很长时间里太空电梯都是科幻小说的主角,而在航天领域很少被严肃对待,但随着材料科学的发展,目前已经看到了建造太空电梯的可能。1991年碳纳米管(Carbon Nanotubes)横空出世,它是日本NEC公司基础研究实验室的物理学家饭岛澄男检查石墨电弧设备中的碳纤维时意外发现的。碳纳米管是一种六边形排列的碳原子构成的管状的多层同轴纳米管,由于这些碳原子同轴管的直径一般在1~30纳米范围而得名。碳纳米管直径很小,它的长径比轻松一般达到1000以上,独特的结构使它具有很多独特的电学、化学和力学特征,尤其是抗拉强度达到了前所未有的水平。2000年制备的多层碳纳米管抗拉强度已经达到了空前的63GPa,到2008年新研制的碳纳米管抗拉强度进一步提高到100GPa,而目前人们常用的高强度碳纤维如T-800/IM-7的抗拉强度只有5.6GPa,即使是更高的T-1000/IM-10也只有6.9GPa,比碳纳米管低了一个数量级,至于钢的抗拉强度更是只有数百兆帕,仅有碳纳米管的不到百分之一。从理论上说,碳纳米管的抗拉强度可以达到200GPa,而理想结构的单层碳纳米管甚至可能达到800GPa的抗拉强度。碳纳米管的弹性模量可达1TPa,和金刚石大致相当,而传统碳纤维如IM-10也只有310GPa,专门强化弹性模量的Hmm3碳纤维也只有441GPa,不到碳纳米管的一半,至于普通钢的弹性模量更是只有碳纳米管的1/5左右。碳纳米管力学特征极为优异的同时,密度却只有钢的1/6左右,堪称是当之无愧的超级碳纤维。目前碳纳米管勉强能满足太空电梯缆绳的抗拉强度要求,随着技术的发展碳纳米管抗拉强度还能进一步提供,从而提供更多的抗拉强度冗余。目前最大的问题还是碳纳米管制备不易,而且根本没法做出根本无法做出足够长度的碳纳米度,2013年我国清华大学教授魏飞的团队成功制备了单根长度半米以上的碳纳米管,就创造了碳纳米管长度的世界纪录,新闻中他雄心勃勃的表示要尽早做出千米级长度的碳纳米管,但距离太空电梯的需要仍然很远,而且这只是实验室制备。要工业化批量生产而不是实验室制备碳纳米管材料,尚不知道需要付出多大的努力和多长的时间。即使如此,碳纳米管的出现,毕竟宣告着困扰太空电梯的强度难题已经有了解决的希望,这也是太空电梯的概念自20世纪90年代以来日益得到重视的根本原因。

 

       不过一旦建成太空电梯,更大难题恐怕是安全问题。太空电梯的缆绳在大气层内风雨雪冰等气象环境的影响,还有航空器的误撞,都会对太空电梯造成潜在的巨大威胁,而日渐盛行的恐怖活动,同样让人担心太空电梯的安全,恐怕实际运行的太空电梯货舱需要增加降落伞等救生设备,避免太空电梯断裂时货物尤其是载人舱的损失。如果说大气层内还不至于有致命问题的话,大气层外航天器尤其是轨道碎片,还有流星体甚至陨石小行星的撞击,都对太空电梯造成了更大的安全威胁。由于太空电梯的缆绳相对于地球是静止的,而中低轨道尤其是低轨道的航天器,无论倾角多大理论上都有掠过缆绳附近和撞击缆绳的可能,也就是说太空电梯缆绳被撞击的概率,要比轨道飞行的航天器高得多。中低轨道物体速度普遍在7千米/秒以上,撞击动能极大容易导致天梯断裂,如果太空电梯遭到空间物体的撞击从距离地面数百、数千千米甚至更远处断裂,后果将是灾难性的。目前设计者们计划在赤道附近远离各种民航航线,暴风闪电和巨浪等恶劣环境也较少的的海域部署海上浮动平台作为锚地,以降低安全风险。一些太空电梯的设计中锚地可以机动,从而带动缆绳移动避开太空中的航天器和轨道碎片。不过问题在于即使是最先进和精密的美国的太空监视系统,虽然可以监视到几厘米大小的轨道物体,但对轨道位置尤其是可能碰撞的监测和预报有着数百米的偏差,而几乎所有中低轨道物体都有和太空电梯碰撞的可能,解决太空避撞等安全问题,仍然需要付出极大的努力。太空电梯还受到科里奥利力、太阳风压、太阳和月球的引力等作用,缆绳会摇摆不定,这更增加了避撞的难度。为了降低这个超长缆绳的摇摆,很可能需要间隔一定距离进行减振,那太空电梯的运行难度和维护成本就更大了。

 

        目前各国航天机构都对太空电梯进行了研究,而一些商业公司如美国电梯港公司、日本大林组株式会社(Obayashi)提出了太空电梯的方案,Google公司也打算进行太空电梯的秘密研究,更有无数航天爱好者的积极支持。目前各家机构已经提出了太空电梯的各种具有技术可行性的概念,以美国航空航天局先进设计研究院的爱德华等人的设计为例,他们试图先建造一个小的试验性的太空电梯,缆绳使用碳纳米管材料,35800千米的长度的缆绳质量仅有约19.8吨,货运能力只有约619千克。他们还计划通过这部太空电梯运送缆绳,从而增加缆绳的截面积,最后将缆绳最大直径增加到160毫米,此时太空电梯的缆绳质量将增加到750吨,当然货运能力也将增强到20吨。至于我们在科幻小说中看到的粗大致密的天梯缆绳,即使用碳纳米管材料,质量也是天文数字。

太空电梯为人类进入太空提供了一次性火箭无法达到的低成本,让人类大规模开发太空成为可能,不过它并不是灵丹妙药。由于基本原理的限制,太空电梯并不适合发射中低轨道载荷,不过非常适于发射地球静止轨道载荷,部署通信卫星等商业设施,而它廉价的入轨费用,也为空间太阳能电站提供了可能。如果空间太阳能电站得以建成,作为人类的新能源将大大降低是传统化石燃料的依赖。太空电梯还是进行深空探测的上佳选择,如果需要去地月系拉格朗日点轨道的话,只需要载荷越过静止轨道空间站继续上行,理论上只需要上升到距离地面约51000千米即可满足速度需求,而上升到约53100千米的话,直接释放就达到了脱离地球引力所需的速度。

      虽然太空电梯有这样的优势,但它仍不太适合载人。由于地球磁场的影响形成的范艾伦辐射带存在强度很高的辐射,而且宽度又太大。现有的载人航天活动不是在范艾伦辐射带之下的地球低轨道,就是如阿波罗计划那样快速直接穿越这个区域过程。太空电梯的运行速度不快,一般要限制在200千米/小时以内,如果使用太空电梯运送,航天员穿越范艾伦辐射带时将受到大量的辐射,而如果增强辐射防护措施,增加的质量又会使太空电梯变得过于的笨重和复杂。综上所述,太空电梯很适合发射地球静止轨道和深空载荷,而不适合部署地球低轨道载荷,也很难用于进行载人任务。

 

      

 

  评论这张
 
阅读(1806)| 评论(45)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017