太空梯的原理

2009年11月11日 12:11    老郭
关键词: 太空 , 原理
作者:郭庆春    来源:嵌入式公社

今天看到一篇新闻,讲美国人设计出一种激光动力太空梯,成功爬升了900米。由于对太空梯的概念不很理解,但有很感兴趣,于是就做了一点研究。可惜,网上的中文资料比较欠缺。不是信息少,而是资料质量很差,看得稀里糊涂的。中文的维基百科也没有太空梯条目。阅读了一下英文条目space elevator,才大致搞清了太空梯的基本原理。看来国人做事还是比较浮躁,都是抄来抄去的,实际上作者也不一定理解太空梯是怎么回事。这里根据自己的理解试着描述一下,错误和欠缺的地方请大家修正、补充。

早在1895年,俄国科学家Konstantin Tsiolkovsky就提出了太空梯的概念,之后各国的科学家不断加以完善。具体过程就不多说了,这里简单介绍一下目前太空梯概念的原理。

太空梯主要由四个部分组成:反重力(或重力平衡)装置(counterweight)、绳索、升降梯和底座。我们通常看到的电梯其实也是由这四部分组成。常规电梯的反重力装置就是建筑物,由它来抵消升降梯的重力,使后者可以沿着绳索向上爬升。当然,对于太空梯来讲,理论上我们也可以修建一座高大的建筑物,高到可以伸向外层空间。但实际上我们无法做到,因为制约因素很多。例如,没有一种建筑材料能承受那么大的压力。

所以,更切合实际的做法就是从天空垂下一条绳索,像直升机垂下绳索拉起货物那样。在这里,直升机就是反重力装置。当然,我们无法在太空放置直升机;那里没有空气,所以也就产生不了升力。那么由什么来充当反重力装置呢?有三种选择:小行星、太空站和绳索本身。

小行星作为反重力装置其实也不太现实。因为地球不断自转,而小行星不会和地球自转同步,所以通向小行星的绳索就不好搭建。另外,因为距离遥远,所以绳索的成本也会很高。如果用太空站的话,那么它的高度应该在同步轨道以外,但速度要和地球自转同步,依靠绳索的拉力使它不至于脱离地球而去。使用绳索本身作为反重力装置的原理与此类似。绳索的另一端要伸向外层空间,它运转产生的离心力抵消本身的重力,而且有一定的冗余来承受升降梯的重力。

底座可以是移动的,比如海上平台;也可以是固定的。两者各有优缺点。最后选择哪种方式还很难说。

绳索是个大问题。目前还没有能够胜任的材料。绳索必须非常轻,而且能承受的拉力要非常大。如果采用碳素材料的话,其抗拉强度要超过100GPa。碳纳米材料的理论抗拉强度为140到177GPa之间,完全可以满足要求。因此,绳索材料问题是有希望解决的,虽然现在还不行。

剩下的问题就是升降梯的动力了。该动力无非通过三种方式提供:无线传输、有线传输和升降梯自备。美国人的激光动力太空梯属于无线动力传输方式,就是通过地面的激光器为升降梯传输能量。有线传输也是有可能的,而且也许成本会更低。因为碳纳米材料本身是导电的,也就是说,绳索本身可以作为能量传输的介质。升降梯自备能量的方式要求能量密度非常高,典型的就是核能。

如果太空梯的方式能够实现的话,向太空运送物体的成本会大幅降低。到那个时候,运载火箭就可以休息了。不过,据说我们还要耐心等待几十年时间。

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老郭 发表于 2009-11-11 12:34:47
现在再看这个就容易理解了。这里谈的主要是动力问题。
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据英国《新科学家》杂志网站报道,为了促进和鼓励太空技术的发展,美国宇航局自2005年起每年都会出资赞助各类太空技术设计大赛。在今年的“波束能量挑战”大赛中,一款名为“激光动力自动攀登者”的太空升降车凭借新奇的设计理念和良好的演示效果而一举夺魁,来自美国西雅图的设计者“激光动力”研究团队从而获得了90万美元的奖金。

“波束能量挑战”大赛是由美国宇航局赞助、美国太空基金会主办的一项赛事。该项挑战是以高强度光源为动力的太空升降梯研究项目的重要组成部分,今年该项目总奖金已上升至200万美元。太空升降梯的设计构想其实非常简单,就是在地球赤道与数千公里之外的太空之间建立一条缆绳,太空升降梯就顺着这条缆绳来往于太空与地球之间。由于地球引力的作用,这条太空缆绳将总是处于紧张、绷直状态。这样太空升降梯就可以顺利通行,将货物或飞船沿着缆绳送往太空轨道。尽管建造这样一个太空升降梯可能要花费数以十亿计的巨额投资,但是支持者们却认为这样还是比用运载火箭便宜得多。其实,建设这样一个似乎异想天开的工程,不仅仅是金钱问题,首要解决的是技术问题。如何才能为这种太空升降梯提供动力呢?

“激光动力自动攀登者”之所以能够获奖,就在于其设计理念恰好回答了上述关键问题。“激光动力自动攀登者”就是利用来自地面的强激光作为无线动力,沿着缆绳以尽可能快的速度升向太空。当然,“激光动力自动攀登者”必须要通过太阳能电池来吸收地面红外激光器所发出的能量。在本次大赛上,还有其他两款升降梯设计方案也是利用这一原理。

几天前,“激光动力”研究团队发射了第一束激光,开始了第一次演示试验。首先,他们在爱德华兹空军基地通过一架直升机在地面与天空之间拉起了一道垂直的缆绳。然后,用激光将他们设计的升降车沿着缆绳送到了900米左右的高空。升降车从地面升到最高点只用了4分多钟的时间,平均速度为每秒3.7 米。在次日的第二次演示中,平均速度上升到每秒3.9米。由于另外两款升降车演示失败,最终,“激光动力”团队获得90万美元的奖金,而剩下的110万美元奖金则预留给上升速度能够超过每秒5米的方案。

尽管太空升降梯仍然只是一个相对遥远的梦想,但美国宇航局似乎对这种无线动力传输技术很感兴趣,他们希望能够尽早把这种技术投入到某些应用,比如用在月球车上。当月球车开到陨坑的阴影中而太阳光照射不到时,这种无线动力传输正好可以派上用场。

泰德-色蒙是美国太空基金会的一名志愿者,也是“太空升降梯”博客的作者。他认为,本次大赛的设计作品已经进一步推动了太空升降梯的研究。色蒙说,“通过这些作品的演示,我们已经证明这项技术是可行的。这项技术非常令人振奋。”
f.luo 发表于 2009-11-11 12:47:57
这个有意思,先占位,再看。
sherwin 发表于 2009-11-11 13:13:30
从来都没想过可以用这种方法来升空,唉,看来咱们的思维还是束缚的太死了,远远比不上人家老外的思维开阔啊。
电工尚且如此,其他行业就可想而知了。   :(
老郭 发表于 2009-11-11 13:22:14
“远远比不上人家老外的思维开阔”
其实我们的祖先还是了不起的。明朝人的想法都很大胆,比如万虎,就试图制作火箭升空。明朝的科研活动和意识形态很活跃。再以前就不用说了。宋朝的科技绝对全球领先。
后来的满清和再后来的本朝,国民思想被严重束缚。另外国家内外交困,谁还有闲心去胡思乱想。好在现在又有苗头了,思想比较活跃(虽然行动上差些)。但愿是中国复兴的开始...
李冬发 发表于 2009-11-12 09:21:48
俺在高中就想到了。就是没想出锚在什么地方好。
最好的锚桩是极地,一直拉到月球上。
光想又有什么用?
sinanjj 发表于 2009-11-12 15:32:41
中国的P民还吃不上饭,窝里斗就够了,没心思征服外界。
riverpeak 发表于 2009-11-12 16:30:34
请问老郭这是原创吗?
我记得看过类似文章,听说这绳子要做的比较夸张,一头连到月球,一头在地球
老郭 发表于 2009-11-12 21:07:05
当然是原创。否则会写明作者和出处和发表时间。

连到月球不太现实。用不了那么远。那样造价太高。

还有一个重要原因:月球和地球自转不同步。它要拉着跟绳子围着地球转,就把地球搞成毛线团了,哈哈
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游客 发表于 2009-11-18 10:24:54
呵呵,中国人哪有心思搞这些.直接会给领导否决
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