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做座图100亿美元打造通天电梯一步登天有理有

发布时间:2021-10-14 23:04:41 阅读: 来源:焊管机厂家

图:100亿美元打造通天电梯 一步登天有理有据

100亿美元打造通天电梯一步登天有理有据

4.低温达不到实验的指标

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建造在太平洋中某个地点的高达25公里的电梯塔(电脑设计图)

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太空电梯运作的模拟图

100亿美元打造通天之梯

自从前苏联宇航员加加林第一次遨游太空开启了太空时代以来,那些向往更广阔的宇宙空间的科学家们就无时无刻不在梦想着创造更加便捷的方式,让人类能够方便地往来于地球和太空之间。目前,传统的依靠火箭发射和航天飞机往返太空的方式由于其巨大的成本使人类不能够大规模地对空间进行开发,而且也只能使极少数的人能够到太空走上一遭,但是这种状况将在本世纪内得到改观。

9月16日在美国新墨西哥州首府圣达菲召开的研讨会上,70多位科学家和工程师们就登上太空的更为方便和经济的方法——太空电梯的建造进行了更为深入的讨论。在为期两天的讨论中,科学家们致力于将一个梦想在一个世纪或者十多年内变成现实,即建造太空电梯,它能够用来发射人造卫星和宇宙飞船,甚至能沿着数万公里长的垂直轨道将人类方便地送上太空。

这听起来更像科幻小说而非科学计划,事实上当美国物理学家皮尔森1于夹具座9上部配合的是下夹板8970年提出太空电梯的概念时,人们对他的建议就是“改行写科幻小说去吧”。太空电梯的梦想最早见诸于书面是科幻小说家阿瑟·C·克拉克1979年创作的《天堂之泉》,当然,最初公众的反应也只是一笑置之,当年克拉克接受采访时颇为不满地表示,只有当大家不再嘲笑时,建造太空电梯才有现实可能,他据此预测,大概要50年后大家才会认真对待这一概念。三十几年来,建造太空电梯的想法一直徘徊在科学推论和科幻小说之间,不过四年前的一次科学家聚会让人类第一次认真地思考如何将这个幻想变成现实。1999年,一群来自顶尖的工程学院和从事空间研究的公司的科学家以及美国宇航局的专家在美国马歇尔飞行中心召开研讨会,讨论建造太空电梯将会遇到的种种难题,而他们得出的结论是:建造太空电梯在理论上是可行的,人类将会在21世纪的后半叶实现通过电梯向太空中输送人员和物资的目标,届时的太空电梯将会象人类现存的公路、铁路、电缆和管道一样,为人类打开通向太空的方便之门。这次会议之后,从事空间研究的科学家组成了松散的科研联盟,与太空电梯有关的研究项目也迅速展开了。

近来,工程师们指出,在材料科学方面的进步尤其是碳纳米管的发展意味着太空电梯这样的设备开始获得广泛的关注,同时就意味着克拉克的小说不再是纯粹的科幻小说。另外,美国国家航空和航天局也不再对这一科学幻想进行嘲笑,他们目前正把数百万美元投入到这一开发工程上。

一步登天有理有据

科学家已经从理论上排除建造太空电梯的难题,只要有合理的结构和合适的材料,人类畅游太空将更加容易。

太空电梯的核心部分是一条距离地球的表面将近十万公里长的缆绳。靠近地球的一端将被固定在可能位于太平洋中部某个地方的基座上,而另一端将连接到一个在太空中围绕地球进行同步轨道运行(与地球的位置保持恒定不变)的小行星上,而小行星以及缆绳本身所具备的动力将能够使缆绳绷紧,以便电梯舱或者运输车等运载工具能够上下穿梭。在缆绳距离地球约3.6万公里的位置,物体就能够脱离地球的引力,进入到完全失重的环境。其后,物体可以被“弹射”进入太空轨道。

要想建造这种太空电梯,就必须把一个与地球同步旋转的人造卫星放置在承载盘成圈状的缆绳的轨道上,然后把缆绳重的那一端扔向地球,同时另一端在太空中展开。而电梯舱就能够从地面上爬上缆绳,把人造卫星、空间探测器甚至太空观光者从一端送到另一端。刚开始用来发送缆绳的人造卫星应该能够提供足够的张力,以便第一批运载工具可以顺利到达太空。这些升降机能够将履带轨道固定在缆绳的两端,并且依靠从地面发射的激光转换成的电能作为动力加以推动。

关于建造太空电梯在技术上的可行性,美国宇航局负责1旦燃料用完就会自行分解的材料从事先进太空飞行技术理论研究的科学家史密斯曼说,最大的难题在于:物体要在距离地球3.5万公里的位置才能完全摆脱地球的引力作用,因此电梯塔的最低高度也要在3.6万公里,这么大的高度导致电梯塔自身的重量成为巨大的负担,要想使它稳稳地“站”在地球上,基座的大小就要占据一半的地球表面,这显然是不现实的。另外,建造材料的选择也是个难题:直立钢结构的高度达到将近5公里时就会被自身的重量压垮,铝最多可以达到15公里,而目前人类所掌握的最轻的材料环氧碳合物和环氧硼合物所能达到的高度也不过是120公里左右,即便是人类成功研制出目前所能研制的最先进材料,达到的高度也距离要求甚远。

从事高强度材料应用研究的科学家都明白一个原则:物质的抗拉伸能力远大于抗压能力,人类目前研制出的最能抗拉伸的材料是环氧石墨多晶体,(在悬挂状态下)它能够承受自身重量的长度是184公里,因此,如果太空电梯的结构设计合理,电梯塔自身所受压力可被转化为拉力。

美国宇航局的兰蒂斯曾建议把电梯塔的结构设计成重量轻内部空的密封结构,使它本身如同具有浮力的气球,这样电梯塔就可以由抗压结构转化为抗拉结构,这种设计可以使它的高度达到3000公里。不过这个高度距离要求依然很远,而且在建造过程中,如何处理结构与结构之间的连接是个大问题,因此,史密斯曼推论说,将来理想的结构应该是高塔与密封抗拉结构的结合体。

这样的结构与科幻爱好者所幻想的太空电梯有很大的不同,他们心目中的太空电梯就是如同前文中所描述的依靠小行星提供平衡的缆绳,但是科学家们计算的结果表明,这样的结构同样遇到材料选择的难题。缆绳的材料要求同样是既结实又足够轻,此外还要具有一定的柔韧度以避开太空垃圾或者太空漂浮物的撞击,这就是碳纳米管发挥作用的时候了。碳纳米管是一些极其微小而且纤细的真空管,它们像钻石一样坚硬但柔韧度足以使其被制成纤维。在理论上,大约一米宽的像纸一样薄的纳米管就可以支持太空电梯的重量。然而没有一个科学家能成功地制造出这种纤维。不过,来自肯塔基大学的纳米管专家罗德尼·安德鲁指出,如果有关如何连接纳米管和在他们之间转移或卸载以形成复合材料的基础科学没有取得突破的话,那么科学家就需要寻找新的合适的材料。另外,材料自身抗拉伸能力使得轨道索连接在地球一端的粗细不大于手指头,而在脱离地球引力的部分,其直径大小不在是什么问题,可以是几米,也可以是几公里。

史密斯曼在总结这些结论时说,只要有合适的材料和合理的结构,建造太空电梯并非遥不可及。美国宇航局从事这方面研究的科学家目前比较倾向于科幻爱好者提出的方案,他们希望轨道索连接在地球上一个25公里高的高塔上,目前人类还从来没有建造过这么高的建筑物,不过这些科学家相信依靠现有的材料和工程机械能够完成这样的建造工程。

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在空间旅行即将到站的时候,旅客一定要把自己的身体固定好,否则,空间失重环境很可能把人推向无边无际的太空中一去不返。(电脑设计图)

占领太空有利武器

太空电梯将使人类能够更加方便地开拓太空,而拥有太空电梯的国家则能比竞争对手抢占更大的“空天”优势。

目前在太空电梯研究方面比较积极的是美国西雅图太空电梯系统公司,他们获得了美国宇航局57万美元的科研资助。该公司负责人日前透露说,太空电梯项目进展顺利,他们正在进行相关的技术研发,目前电梯模型已经完成,初步考虑太空电梯将用时下最流行的纳米材料制成。公司已经成立了由科技界名流组成的技术顾问团,投入约1300万美元进行相关问题的研究,研究重点是石墨纳米管对太空环境的适应度,尤其是对太空垃圾的承受力,而美国总统布什(专题,图库)也在去年批准了一项总额1100万美元的政仿佛已成功在望府拨款以促进这方面的研究。

由于该公司的积极投入,他们有望在明年底拿出太空电梯的最终设计。公司主管爱德华博士对公司目前工作的进展表示满意,近几个月来,该公司与美国航空航天局等多个机构进行了联系,并得到了支持,同时该公司还收到了其他州的请求,他们愿意提供诱人条件,要求把太空电梯建在他们那里。欧洲一些国家,还有加拿大也提出了类似要求。目前该公司似乎是在等待最优惠的条件以决定到底把太空电梯建造在什么地方,同时该公司甚至计划,如果美国联邦政府不打算提供任何经济支持,他们也许会考虑把地点选择在国外的某个地点。不过,从科学的角度来看,太空电梯的基座还是在太平洋中的某个地点最好,要选在距离航空器路线和运输通道几百里远的地方,而且要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域,这对于这样一个庞然大物的安全运行至关重要。

爱德华说,他完全相信建造太空电梯技术上不成问题;现在最头疼的其实是研发资金紧缺。虽然已有多家公司及私人投资者向项目投钱,总额有几百万美元之多,但他们接触到的多数人认为太空电梯回报周期太长,不值得投资。到目前为止,公司已筹集到约4000万美元资金,其中大部分将用于太空电梯的设计、制造及测试。这相对于项目所需的100亿美元,简直是九牛一毛。

太空电梯的建造将使火箭作为人类往返太空与地球之间的运载工具变得不再实用,但火箭仍有其使用价值,太空电梯只能够用来供人类做短途的空间旅行,对于探索火星和更远的外太空来说,火箭推进设备仍然是不可替代的。由于太空电梯可以大规模的运送人员和物资,可以产生规模效应,使得把1磅重量的物体送入太空中的成本由原先的10000到40000美远降低到100美元,这样将物体送入太空的成本只是目前各种运载工具开销的“零头”,因此,一旦太空电梯问世,届时太空旅行也许将真正进入大众时代,而拥有太空电梯的国家则能比竞争对手抢占更大的“空天”优势。爱德华大胆地预言说,“未来,有可能造出10部这样的电梯,也有可能造出延伸到月亮和火星的巨型电梯”总之,“造出第一部太空电梯的国家可能在未来100年拥有整个太空。”

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