专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《少年科学画报》

《少年科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

《少年科学画报》坚持向少年儿童传播科学思想,普及科学知识,传递科技信息,传授科学方法,激发少年儿...

文章数

坐着电梯上太空

2015-12-30 14:16:16
北京航空航天大学宇航学院教师   

钟睿 
如同现实一般的幻想 
36771
图注:太空电梯的幻想) 
  当今社会,电梯已经成为我们生活中不可或缺的一部分,并发挥着重要的作用。常见的电梯有垂直升降式,以电动机为动力,将人员或货物用吊舱运输到各楼层;也有台阶式,将踏步板装在履带上连续运行,俗称自动扶梯。许多高楼,都少不了电梯的身影,而且高层建筑往往有多部电梯。那么,假如我们盖一栋36000千米高的大楼,它肯定也是需要电梯的——你肯定不想攀登4000个珠穆朗玛峰吧? 
来一次这样的旅行 
36772
(图注:壮丽的电梯旅行) 
  其实我们并不想讨论如何为36000千米高的楼房建造电梯,事实上,为了造这座宏伟的电梯,我们首先必须建成一座36000千米高的高塔!36000千米,远超过地球大气的最顶层,接近地球半径的六倍,已经深入到太空当中了!而这样的高塔,也许称其为“轨道”更为合适。列车在竖立的轨道上运行,往返于太空与地面之间,这不就是一座太空电梯吗? 
  想象一趟为期一周的旅程:出发后,车窗外的车辆、建筑很快变小,山川湖泊渐渐地仿佛能用巴掌覆盖,大地不再是平坦的,远方的地平线弧度越来越大,我们在不知不觉中穿越了云层,白云已成地板,天空越来越蓝,直至夜色笼罩了车厢四周,才发现天空中的星星远比你想象的多得多。第一天,你所到达的高度就超过了航天英雄杨立伟,但他曾忍受了巨大的加速度和持续不断的振动,而身为乘客的你,只需捧着一本书,比如《银河系漫游指南》,从扉页阅读到封底……当你习惯了寂静的宇宙和璀璨的繁星,终点就在前方,回眸一瞥,蔚蓝色的美丽星球在身后静静旋转,这样的沿途风景是不是足够壮丽? 
苏联人想,美国人干 
36773
(图注:Nasa(美国国家航空航天局) 的太空电梯设想) 
  可惜,太空电梯目前还只是个停留在纸上的设想,是众多学者们乐衷研究的对象。但是它可并不是个空想,多数关于未来世界的描述中,地球的上空总有一座环状空间站环绕地球,而数条细细的太空电梯连接着空间站和地面。 
  其实早在1895年,前苏联的航天先驱齐奥尔科夫斯基就提出在地球静止轨道修建一座城堡,和地面用一根缆绳连接起来。所谓地球静止轨道,是指该轨道上的航天器绕地球转一周正好等于一天,因而从地面上看,好像固定在太空一样。地球静止轨道的高度,大约为36000千米,和前面提到的高楼一样。 
  齐奥尔科夫斯基的设想是由美国人替他完善的:1970年,美国科学家罗姆?皮尔森开展了关于太空电梯的一系列科学计算,论证了电梯的可行性。而2005年,美国宇航局正式宣布太空电梯已经成为世纪挑战的首选项目。西弗吉尼亚州费尔蒙特科学研究所的布拉德?爱德华兹博士以研究天梯而著称,他在论文中写道:“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”他认为自己构想中的初版天梯可能在2019年问世,其成本大约为70~100亿美元——一笔在太空工程中显得并不巨大的款项。 
爬出陷阱的梯子 
  也许大家会问,为什么科幻作品中总会有太空电梯的身影?那就不得不提到太空电梯的作用了。 
万有引力和离心力的斗争 
  我们都知道,万有引力将地球上的任何物体向地心方向“拉拢”,往头顶上空扔一个东西,它最终会落回地面。如果我们想乘一个飞行器离开地球,飞行器的行驶速度必须足够大,离心力(可以理解为使物体脱离地球束缚的力)才会足够大。只有当这个速度达到每秒7.9千米(为地球上最快跑车记录的66倍),离心力才能大到足以抵消万有引力的“拉拢效果”,使我们乘坐的高速飞行器成为绕地球飞行的卫星。 
36774
(图注:用电梯释放航空器) 
  要达到这样的速度是很困难的,我们在电视上看到火箭的发射画面时,周围的人或车辆都那么渺小,因为只有如此巨大的火箭才能携带足够的燃料将人造卫星送入环绕地球轨道——实际上,火箭中80%都是燃料,是非常不经济的。那么,除了化学燃料火箭,还有其他方式离开地表吗?人们想出了很多新奇的飞行器,火箭本身的推进效率也在不断地改进,但是都无法避免燃料消耗巨大的问题,而且在航天工程中,每一克质量都需要进行精确计算。 
简单的原理,诱人的前景 
  太空电梯给我们提供了发射卫星进入环绕地球轨道的全新途径。地球是一个球体,固定在地球表面的高楼跟着地球自转,不难想象楼房越高,楼顶的转动速度就越大;另一方面,牛顿力学计算结果显示,轨道距离地球越远,航天器抵抗住万有引力“拉拢效果”所需的运行速度就越小——可以想象一种极限情况,如果航天器离地球无限远,即便它不运动,地球的万有引力也无法将它“拉拢”过来。也就是说,随着高度增加,一种速度从小变大,另一种速度从大变小,这两种相反的趋势使我们相信,在某个高度上,这两种速度将达到相等,在那里,我们从楼顶推出去的任何东西,它的飞行速度刚好足够它抵抗住万有引力的“拉拢效果”,所以它不会以自由落体的状态落下,而是环绕地球飞行。现在联系一下前文,你是否已经猜到,这个高度就是地球静止轨道的高度——36000千米? 
36775
(图注:爬升仓) 
  如果我们建立了太空电梯,我们就再也不需要携带巨量燃料的火箭了,只需一辆箱式列车,在电力的推动下克服其本身重力,就可以携带着货物不断攀升,直至将其带入环绕地球的轨道,而这趟旅行的花费,可能不会比飞机票贵多少。如此廉价的运输方式,如此简单的理论,怎么能不受幻想文学家们欢迎呢?恐怕连航天工程师们都不能抵御它的诱惑吧。 
  总之,太空电梯的作用可以用一个形象的比喻来说明,地球的周围就像包裹着一个陷阱,而陷阱的表面是地球静止轨道,一旦落入陷阱,就很难再跳上来,而太空电梯则给我们搭建了一个爬出陷阱的梯子。 
伸手便能触摸的未来 
  细心的读者也许会发现这样一个奇怪的事实,从太空电梯的概念开始在航天工程师的梦想中孕育,到对它工程化的理论研究,这之间隔了七八十年的时间,为什么会有如此之长的空白期呢? 
绳索自重产生的大麻烦 
  前苏联人把太空电梯的概念带给世人的时候,工业界和学术界的反响是非常热烈的,简单的原理使它乍一看起来似乎马上就可以实现,而且使用绳索牵引的方式,成本也不是问题。但是,大麻烦出现了,太空电梯甚至还被悲观者们认为是完全不可能的事,而问题的关键就在于材料!这并不是因为需要升空的载荷太重——我们可以分批操作——而是因为自重。 
36776
(图注:“长绳”) 
  一根36000千米长的绳索从静止轨道释放到地面,总重量是惊人的,而航天工程师们告诉我们,要想搭建太空电梯,36000千米长的绳索还不够,考虑到需要配重,绳索总长可达将近10万千米!这么长的绳索,在其自重作用下,内部将产生巨大的拉力,就算采用当时最抗拉的材料,距离所需要的强度也差得很远。这样,最乐观的研究者也只能把太空电梯留给未来了。
 “东京太空之树” 
36777
(图注:日本的设想) 
  处于科技大爆炸时代的航天工程师们是幸运的,在有生之年,他们就能见到问题的解决。碳纳米材料,作为纳米材料家族的新成员,成为了补全太空电梯设想的最后一块拼图,这种材料的抗拉强度可达钢铁的百倍以上且自重非常轻。材料的突破使得太空电梯又一次成为了航天界的明星。这次人们更有底气,行动力也更足,而其中最热情的应属日本。 
  日本建筑公司大林组对太空电梯建设已经作了非常工程化的规划,这部被命名为“东京天空之树”的太空电梯包括基座、缆绳、电梯舱和太空站四部分。虽然目前碳纳米材料技术仍不成熟,大林组依然乐观地估计,他们在2030年左右就能够造出足够长的绳索,而到2050年,太空电梯亦将竣工。日本神奈川大学的研究团队正负责机械电梯间的研发工作,致力于改善升降及刹车系统。有消息表明,日本投入了73亿美元发展自己的太空电梯技术。毕竟预计的太空电梯发射成本仅为航天飞机的百分之一,谁造出第一部太空电梯,几乎就等同于赢得了开发外层空间的门票。 
我们将上下求索 
36778
(太空电梯基座想象图) 
  虽然业内人估计,太空电梯在50至100年内就能实现——这意味着也许《少年科学画报》读者中的大多数都有希望成为电梯游客,但是也有学者谨慎地指出,目前谈论这个话题仍为时过早。这是因为,太空电梯的主要技术仍不完善,例如,30000多千米长的绳索在大气环境、日月引力摄动等复杂因素干扰下,将会发生抖动,如何控制抖动幅度,降低绳索断裂几率对太空电梯的安全运行至关重要;又如,目前生产的电梯舱爬升速度还无法达到要求,美国组织的太空电梯竞赛在这一问题上已经连续三次没有成功了;还有,太空电梯缆绳对在轨卫星和空间垃圾的避障策略,太空电梯的维护以及事故应急方案等等,都等待着科学家和工程师们“上下而求索”。总之,人类想用上太空电梯这个太空开发的新工具,还有很多事情要做。








上一篇:坐着电梯上太空(上)
下一篇:坐着电梯上太空(上)
©2011-2017 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台