中华网 china.com

娱乐
当前位置:娱乐 > 影视长廊 > 正文

太空电梯什么时候建成真的能成功吗 太空电梯的工作原理是什么

太空电梯什么时候建成真的能成功吗 太空电梯的工作原理是什么
2023-03-24 10:34:31
仝卓回应被工作室讨债:泰国是您邀请我们全家去的09:04

太空电梯什么时候建成真的能成功吗

随着人们对太空探索需求的加大,我们经常使用运载火箭。不过,运载火箭的花销巨大,费时费力。如果在太空建造一个电梯,就会方便得多了,而且太空电梯不仅可以运输货物,说不定还可以带人类去太空观光。

实际上,早在19世纪末期,前苏联的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就提出了这个想法。后来,俄罗斯和美国也都对太空电梯进行了探索和研究。现在,日本的科学家们正式开始进行太空电梯的试验,并计划到2050年,实现太空电梯这一畅想。

如何建造太空电梯?

太空电梯由五部分组成:基座、缆绳、电梯舱、空间站和平衡锤。

太空电梯的建造原理其实非常简单,它结合了万有引力和圆周运动。我们小时候大概都干过这样的事,用绳子拴着一个重物(可能是石头或者沙袋),拉着绳子转,如果速度足够快的话,重物就不会掉下来。

建造太空电梯时,缆绳的一端连接地球赤道上的基座,有固定式(固定在地表上)和漂移式(海上大型平台或平流层中的飞行平台)两种选择。绳子的另一端是位于地球静止轨道的空间站。在地球静止轨道上,空间站的角速度和地球自转的角速度相等(与地球同步),即空间站相对地球静止;卫星所受的向心力等于地球对它的吸引力,空间站既不飞离地球,也不落回地球上,缆绳就被固定下来了。

地球静止轨道的高度是固定的,为赤道上空约3.6万千米。实际上,为了保证整条缆绳加太空站的稳定,整个体系的重心要放在地球静止轨道上,但缆绳本身具有一定的重量,所以我们要加一个重物,放在整个体系的后方,即它的位置高于空间站(地球静止轨道高度),这个重物被称为平衡锤。

虽然建造太空电梯的设想已出现了近百年,它的原理也很简单,但是却一直没有真的实现,建造的关键就在缆线身上。

建造的难题

建造长达数万千米的太空电梯缆线所用的材料必须非常轻盈、非常结实,材料成本也很便宜才行。人类技术发展至今日,能达到如此标准的材料屈指可数,最有希望的材料是碳纳米管。按照现在的技术,我们可能需要700万千克的碳纳米管来制造电梯缆线。

然而还是有两个问题:一是现在的技术无法制造出那么多的碳纳米管电缆;二是材料还不够轻。而且,缆线材料还需要面对宇宙辐射、大气腐蚀、太空垃圾等,这些都是在建造太空电梯时需要解决的问题。

另外,研究人员还需解决电梯升降的动力问题。我们无法用电提供升降舱所需的能量,因为长度的关系,整个导线电阻巨大。对此,有人提出了用激光发射助推的方法。在升降舱的底部安装太阳能板,然后在地面上用激光照射它,用激光提供能量,但是电梯升的越高,抵达的光线就越少。与此同时,太阳的光线会随着高度增加越来越强,所以,在升降舱添加一些朝上的太阳能板会更有优势。

微型电梯探路

2007年,日本设立了“太空电梯协会”,同时展开对太空电梯的研究。按照他们的设计,太空电梯的缆线长度约9.6万千米。相当于地球到月球距离的四分之一。为了达到最终的目标,研究人员开始进行阶段性的试验。

2018年9月22日,随着一声巨响,H-IIB型运载火箭(日本大型运载火箭)从地面升空,开始了为期5天的国际空间站之旅。该火箭携带了两颗边长为10厘米的小型立方体卫星,两颗卫星间通过一根10米长的钢缆连接。在缆绳上,研究人员将尝试利用电机驱动一个模拟电梯升降舱的盒子,使其在缆绳上来回移动。

当微型电梯在两颗卫星之间移动时,会向科学家提供有关钢缆受力的重要信息。该试验还将揭示电梯与钢缆之间的相互作用,这样科学家们就可以设计出更好的可乘坐电梯。通过蓝牙,微型电梯会不断向其中一颗卫星发送它的位置和电缆状况的数据,卫星再将这些数据传输给地球上的科学家。

太空物流线

如果有一天太空电梯成为现实,它将是一种比火箭便宜得多的太空运输工具。目前运载火箭总重的90%是燃料,5%是船体,最后的5%才是宇航员、卫星和其他有效的载荷。与消耗的大量燃料相比,有效的载荷太少了,火箭的效率太低。目前的行情是:每运送1千克载荷进入太空就要花费2万美元。太空电梯就不同了,升降舱可以在下降时回收上升过程所积累的能量(势能),而且可以借助太阳能提供动力。因此,它的效率远比火箭高。

现在我们在发射飞船时,火箭需要提供动力,好让飞船获得摆脱地球引力的速度。由于太空电梯是同步绕地球转动的,因此只要将飞船运送到空间站,轻轻放出,飞船就会获得摆脱地球引力的速度。太空电梯一旦建成,将有效解决火箭发射成本高的问题。

另外,据日本的研究人员介绍,他们计划设计的电梯舱可以在7.5天内以200千米/小时的速度将30名乘客运送到距地球3.5万千米的空间站。而且由于太空电梯的成本较低,普通人也可以到空间站,观看太空景色。

太空电梯的工作原理是什么

在这个艺术家的概念中,升降机将能够携带多达13吨的货物进入太空,由激光束推动。更多的太空探索图片。(图源:LIFTPORT GROUP)

1981年4月12日,哥伦比亚号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空,开始了第一次航天飞行任务,也意味着可重复使用航天器的梦想实现了。从那以后,美国航天局已经完成了100多次太空任务的发射,但航空任务的花费变化不大。无论是航天飞机还是不可重复使用的俄罗斯航天器,一次发射成本约为每磅1万美元(每公斤2.2万美元)。

正在开发的一种新的空间运输系统可以使前往静地轨道(GEO)的旅行变得更稀疏平常,并且能使全球经济有所改观。

由碳纳米管复合材料带制成的太空电梯被固定在一个近海平台上,由一个小型配重延伸至太空,长约62000英里(100000公里)。然后,附着在缆带上的机械升降器会沿着缆带爬升,将货物和人类送入太空,成本仅为每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。

为了更好地理解太空电梯的概念,我们联想一种绳球游戏,绳子一端系在一根杆上,另一端系在一个球上。通过这个类比,那么绳子是碳纳米管复合缆带,杆是地球,球是配重物。现在,想象一下,球不断地绕着杆子高速旋转,使绳子保持紧绷状态。这就是太空电梯的大体构想。配重物绕着地球高速旋转,使缆带保持绷直,自动升降机在缆带上上下移动。

根据LiftPort提出的设计,太空电梯的高度大约为6.2万英里(10万公里)。LiftPort是为太空电梯及其零件进行设计开发的几家公司之一。来自世界各地的团队在2006年10月,新墨西哥州拉斯克鲁斯,举行的X奖杯太空电梯比赛中争夺40万美元的一等奖。

电梯的核心部件是碳纳米管复合材料缆带,它只有几厘米宽,几乎和一张纸一样薄。1991年发现的碳纳米管让科学家们相信太空电梯是可以被建造出来的。据太空发展基金会的布拉德利·爱德华兹博士说:“过去,在材料方面面临的挑战太大了。但现在我们在制造碳纳米管和建造相应的机器方面已经越来越先进,这些机器可以将材料拉伸出足够的长度,用以制作延伸至太空的缆带。”

根据一些早期的计划,剩余的建筑材料将被用制作成配重物。

碳纳米管的强度可能是钢的100倍,并且具有塑料的柔韧性。这种强度来源于其类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够将碳纳米管制成纤维,就有可能制造出用于制作太空电梯缆带的线。以前可用的材料要么强度不足要么就是柔韧度不够,无法制成缆带,而且很容易断裂。

LiftPort集团研究总监汤姆·纽金特说:“它们的弹性模数非常高,抗拉强度也非常高,这一切都说明,这种材料理论上应该能使太空电梯的建造相对容易一些。”

一条缆带有两种制作方式:

将长碳纳米管——几米长或更长,编织成类似于绳子的结构。截至2005年,最长的纳米管仍然只有几厘米长。

较短的纳米管能被放置于聚合物基质中。目前的聚合物不能很好地与碳纳米管结合,这导致了碳纳米管处于张力下时基质被拉离。

如果一条长碳纳米管缆带能被制造出来,它会被卷成一个线轴,然后送入轨道。当运载着线轴的宇宙飞船到达一定高度,比如低地球轨道时,它就会开始解开线轴,将缆带一端下降放回地球。同时,线轴将继续向更高的高度移动。当缆带降到地球大气层时,它会被捕获,然后降落并锚定在海洋中的移动平台上。

这条缆带可以作为一条通往太空的铁路的轨道。而升降舱将沿着缆带爬升进入太空。

以上内容仅中华网独家使用,未经本网授权,不得转载、摘编或以其他方式使用。
(责任编辑:乔娇 TT0002)
关键词:

相关报道:

    关闭
     

    相关新闻