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世界首個“太空電梯”搶眼 設想美好無可行性
發布時間:2018-09-27 09:37:19 來源:官網 編輯:李青 瀏覽數: 0
[摘要]  中秋前夕,一則“世界首個太空電梯即將發射”的消息出現在許多媒體上,難道乘“太空電梯”登月的夢想真要實現了嗎? 其實,事...

    中秋前夕,一則“世界首個太空電梯即將發射”的消息出現在許多媒體上,難道乘“太空電梯”登月的夢想真要實現了嗎? 其實,事情的由頭是本月23日發射的日本宇宙航空研發機構JAXA貨運飛船HTV-7,它在種子島太空中心用H-IIB火箭發射前往國際空間站,這是現役世界第一重的貨運飛船,可達16.5噸。

    一次常規太空發射被“太空電梯”搶了眼球,那么,真實情況到底如何?所謂“太空電梯”又是否具有可行性?


    這一次“太空電梯”到底是什么


    太空電梯是個很完美的科幻概念,早在19世紀末期,人類火箭之父齊奧爾科夫斯基就已經提出了這個美好的設想:普通人能像乘坐電梯一樣,借助一根連接天地的繩纜,自由且低成本往返太空。


    那么,這一次被許多媒體炒作的所謂“太空電梯”到底是什么?其實它的全稱是空間系留自主機器人衛星-迷你電梯(簡稱STARS-Me),這已經是STARS實驗系列衛星第四次任務。迷你電梯其實是個昵稱,它真正的功能并非如此,真相如下。


    日本已經執行了六次國際空間站的貨運任務,且JAXA擁有國際空間站上希望號實驗艙、儲藏艙、擴展實驗艙和機械臂。HTV可以運送重達6.2噸的貨物,遠超國際空間站貨運主力進步號的2.4噸,在執行基本任務需求時夾帶一些其他貨物也是常態。本次HTV-7任務就額外攜帶了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三個技術驗證衛星。


    STARS系列任務都用來驗證一種空間應用的技術:系留衛星或者系繩衛星。它的原理是通過繩纜從母衛星釋放一顆子衛星,或者雙星進行伴飛,能自由釋放、收回并重復使用,實現各種科學和工程研究目標,先后有香川大學、靜岡大學等參與。


    STARS的特色在于低成本的微小衛星編隊:兩顆微小、猶如魔方大小(10厘米邊長的立方形)的衛星通過一根約10米的細鋼纜相連。這次的任務之所以叫作迷你電梯,是因為鋼纜上還將有一個小滑塊可以在鋼纜上移動,視覺上有一種“電梯”的效果,因而得名,但可以確定的是這跟太空電梯的理念毫無關系。


    STARS-Me任務由靜岡大學主要負責研發。畢竟只是兩個衛星加在一起幾千克的極小任務,它的真實作用還是基本的技術驗證和教育教學,主要用于通過無線電信號接收輔助判斷衛星狀態:兩顆衛星都能直接與地面通信,它們之間的距離和姿態會導致信號接收出現細微的偏差,在地面的接收站可以通過兩股信號的多普勒頻移、比特率、信噪比對比等反推這個小型編隊的姿態和距離信息。


    中間的“電梯廂”(6?3?3厘米尺寸,比雞蛋還小)帶有藍牙功能,能夠通過其中一顆衛星與地面通信,也會出現在兩顆衛星的互拍中。它能夠在繩纜上緩慢移動,作為測試任務的額外標的,也能驗證雙星+滑塊的技術可行性,從這個角度的確是世界首例,但它更科學的叫法應該是滑塊。整體上這個任務只是個實驗驗證性質的小型任務。


    毫無疑問,太空電梯是個大大的噱頭,引發了全世界關注,也引出了每個新聞稿里都會出現的大林組建設公司。作為日本最大的房地產企業,大林組建造了日本無數的摩天大樓,太空電梯概念一直以來是他們宣傳的重要方向。部分資助這么一個大學里的小型科研項目并不昂貴,卻收獲了萬千讀者的關注,可謂是一次成功的品牌曝光。


    太空電梯確曾有很多設想和努力


    相比而言,人類的現有航天運載器往往存在著造價過高的問題,理論上講長期運送效率并不高。例如,人類歷史上運送能力最強的火箭是土星五號,它可以把接近140噸貨物運送到近地軌道,但造價卻高達驚人的12億美元(換算成今日美元價格)。而如果建成太空電梯,這個價格可以節省數百倍。即便是高昂的太空電梯建造價格,比起陸地火箭發射場的昂貴建設價格也不見得處于劣勢。


    相比復雜的航天發射系統,太空電梯可以簡單至僅需支撐結構、貨/客箱、平衡錘和繩纜結構。要保證整條太空電梯系統的重心處在與地球自轉完全同步的點上,才能實現基本穩定。這個點就是地球同步軌道、高達35786千米:在這里圍繞地球一周的時間恰好是24小時,電梯因而可以保持固定形狀和周期。


    如果太空電梯能夠做成,無疑將極大改變人類航天歷史,普通人也將會有一覽太空風景的機會。這項技術甚至可以廣泛應用到人類開發月球、火星甚至更遠的世界,因而曾有無數科研項目與此相關。


    1959年,蘇聯航天專家阿特蘇塔諾夫曾經提出,首先發射一顆衛星到達35786千米高的地球同步軌道,在使用平衡錘的情況下,可以從衛星上釋放一條繩索經過數月抵達地球表面并建立一條太空電梯。然而,以當時的技術根本不可能有足夠好的材料建造,要知道即便是這個長度的風箏線也需要數千噸,更何況是平衡錘,這個量級至少翻倍。無論當時還是今日,人類的航天能力都遠不能發射如此重的載荷。


    1966年,著名的《科學》雜志有一篇論文:根據太空電梯的設想研究其對材料的需求。后來發現即便是當時已知的最強材料——石墨、石英、金剛石——全部各項指標融合在一起,都遠無法保證太空電梯的強度需求,更何況當時并沒有任何一種技術能夠加工出如此的材料,關于太空電梯的熱情便告一段落。


    1990年,隨著碳納米管的研究出現突破,美國國家航空航天局曾經在馬歇爾空間中心組織了一次研討會論證這種新型材料的應用潛力,其中一項便是建造太空電梯的可能性。不過這個研討會無疾而終,因為科學家們經過分析還是認為現實技術距離需求差得太遠了。


    2000年,NASA資助了科學家愛德華關于太空電梯的預研項目,他提出建造一種長達10萬千米的碳納米管結構繩索太空電梯,同時做出了大量工程設計,例如防御對流層天氣、高層帶電粒子等,相比此前有了很大突破,例如降低了對材料的應力需求。然而后來發現還是不具有可行性,工程和技術無法實現,最終該項目黯然退場。


    隨著商業航天和新材料技術的發展,也有很多公司重新研究起了太空電梯的可行性,幾乎每一年都有新的太空電梯設計方案競賽。其中集大成者是著名互聯網公司谷歌神秘的X實驗室,繼續嘗試攻克碳納米管構建長距離繩索的可能性,然而在投入不明數量的資金后發現,人類現有技術連建造一根僅1米長的繩索都無法滿足,最終完全放棄了太空電梯的夢想。


    太空電梯設想困難重重難克服


    綜合來看,“太空電梯”的設想雖然美好,但實際上幾乎是不可行的,面臨著各種無法克服的障礙,比如:


    為保證重心在地球同步軌道,在這個軌道外側(超過地球靜止軌道)需要配比一個質量巨大的平衡錘,重量需達到萬噸級別。人類目前最強大的火箭僅能運送10-15噸級別載荷到此軌道;


    電梯運行期間會受到各種攝動干擾,為保持重心穩定需要對這個巨大的平衡錘進行靈活控制,它的質量已經遠超人類能控制的航天器極限——國際空間站(420噸);


    被繃緊的纜繩需要承受巨大的應力,人類現有最強材料碳納米管有一定應用可能,但它僅是實驗室中存在的材料,無法量產,科學家們只能制造出極微量的實驗品,且花費是天價;


    即便是碳納米管,它的長徑比也在1000:1級別(對比普通材料20:1已有極大提升),對比太空電梯的超長纜繩要求依然不夠;


    不僅強度問題,繩纜不同位置由于重力加速度和圍繞地球運動速度不同,受到的切向應力也大不相同,人類尚無一種靈活的材料能滿足這些要求;


    地球大氣干擾巨大。大氣包含對流層、平流層、中間層、電離層等,對流層有風雨雷電,平流層有橫向風,中間層有劇烈溫度梯度和對流,電離層有高能粒子和磁暴等人類完全未知的空間天氣現象;


    電梯廂并不簡單。航天中但凡從無人變成載人,都意味著成本陡增,人是所有航天探索中最脆弱的環節。太空電梯要進入太空,面臨復雜的大氣環境和宇宙輻射環境,電梯的防護要極端嚴格,而這無疑需要一個巨大的電梯廂,進而要求增大繩纜的應力、強度、尺寸,形成無解死循環。


    所以說,“太空電梯”設想雖然美好,但基本上沒有什么可行性,與其把目光放在這樣的噱頭上,還不如踏踏實實把精力放在開發現實可行的航天技術上。


本文標簽: 電梯 太空電梯 電梯技術 電梯研發 電梯制造
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