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太空电梯还真是奇思妙想

日期:2018-6-15 10:35:42 标签:太空运输系统 太空电梯
导读:太空电梯是一种被推荐的行星 - 太空运输系统。主要组成部分将是一条固定在表面并延伸到空间的电缆(也称为系绳)。该设计将允许车辆沿着电缆从行星表面(如地球)直接


太空电梯是一种被推荐的行星 - 太空运输系统。主要组成部分将是一条固定在表面并延伸到空间的电缆(也称为系绳)。该设计将允许车辆沿着电缆从行星表面(如地球)直接进入空间或轨道,而无需使用大型火箭。地基空间电梯将由一端连接赤道附近表面和另一端连接对地静止轨道(35,786公里高度)以外的空间电缆组成。在下端较强的竞争力以及在上端较强的向外/向上离心力将导致电缆在张力下被保持,并且在地球上的单个位置上静止。随着系绳的部署,登山者可以通过机械手段重复攀登绳索,将其货物释放到轨道上。登山者也可以下降绳索,将货物从轨道返回地面。


1895年Konstantin Tsiolkovsky首次发表了一个达到地球同步轨道的塔的概念[3]。他的建议是建造一座从地球表面到地球静止轨道高度的独立塔。像所有的建筑物一样,Tsiolkovsky的结构将受到压缩,从下面支撑其重量。自1959年以来,大多数空间升降机的想法都集中在纯粹的拉伸结构上,系统的重量由离心力从上方保持。在拉伸概念中,空间系绳从对地静止轨道以上的大质量(对重)到达地面。这个结构在地球和配重之间保持张力,就像一个颠倒的铅锤。


为了在地球上建造太空电梯,电缆材料需要比任何已知材料都更强和更轻(具有更高的比强度)。在设计能够超越讨论阶段之前,必须开发满足苛刻的特定强度要求的新材料。碳纳米管(CNT)已被确定为可能能够满足地球空间电梯的特定强度要求。[2] [4]其他材料被认为是氮化硼纳米管和金刚石纳米线,最初在2014年建成。[


这个概念适用于其他行星和天体。对于重力比地球(如月球或火星)弱的太阳系中的位置,系绳材料的强度与密度要求并不是问题。目前可用的材料(如凯夫拉尔)强度高,重量轻,因此可用作电梯的绳索材料。

太空电梯被设想为一条固定在赤道上空的电缆。 上端的配重使质量中心远高于地球静止轨道水平。 这会从地球的旋转产生足够的向上的离心力,以充分抵消向下的重力,保持电缆直立和拉紧。 登山者在缆绳上下运载货物。



太空电梯原理图

早期概念

1895年,当俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受到巴黎埃菲尔铁塔的启发时,太空电梯的关键概念出现了。他考虑了一个类似的塔,它一直到达太空,并从地面建造到海拔35,786公里,即地球静止轨道的高度[8]。他指出,这样一座塔楼的顶部将像地球静止轨道一样绕地球旋转。当物体在塔上行驶时物体会达到水平速度,塔顶释放的物体将具有足够的水平速度以保持在地球静止轨道上。 Tsiolkovsky的概念塔是一个压缩结构,而现代概念要求拉伸结构(或“系绳”)。


20世纪

从头开始建立压缩结构证明是不切实际的任务,因为在这种条件下没有足够的抗压强度来支撑其自身重量的材料。 1959年,另一位俄罗斯科学家Yuri N. Artsutanov提出了一个更可行的建议。 Artsutanov建议使用地球同步卫星作为向下部署该结构的基础。通过使用配重,电缆将从对地静止轨道下降到地球表面,而配重从卫星延伸出地球,使电缆始终保持在地球表面的同一点上。 Artsutanov的想法是在1960年共青团真理报的周日补充版中发表的一篇采访中向俄罗斯公众介绍的[10],但直到很晚才用英文提供。他还建议缩小电缆的厚度,以便电缆中的应力保持不变。这使得地面水平面的电缆变得更薄,在地球静止轨道的水平面上变得最厚。


1964年12月24日在新科学家的准幽默的Ariadne专栏中提出了塔式和有线式的想法。



1966年,四位美国工程师Isaacs,Vine,Bradner和Bachus重新发明了这个概念,并将其命名为“Sky-Hook”,并将他们的分析发表在“科学”杂志上。他们决定确定建造一座太空电梯所需的材料类型,假设它是一条直线电缆,横截面没有变化,并且发现所需的强度将是现有材料的两倍,包括石墨,石英和钻石。


1975年,美国科学家杰罗姆皮尔逊再次彻底改造了这一概念,并在“宇航学报”上发表了他的分析。他设计了一种锥形横截面,更适合建造电梯。完成的电缆在地球静止轨道处最紧张,其中张力最大,并且在尖端处最窄,以减少电缆上任何点必须承受的横截面每单位面积的重量。他建议使用配重,该配重将缓慢延伸到144,000公里(89,000英里),几乎是电梯下半部分的月球距离的一半。如果没有大的配重,由于重力和离心力随着离地球的距离而改变,电缆的上部必须比下部长。他的分析包括干扰,如月球的引力,风和在电缆上下移动有效载荷。建造电梯所需材料的重量将需要数以千计的航天飞机旅行,尽管部分材料可能在最小强度的线缆到达地面或由小行星或月球矿石在太空中制造时通过电梯运输。


在20世纪90年代碳纳米管的发展之后,美国宇航局/马歇尔先进项目办公室的工程师David Smitherman意识到,这些材料的高强度可能使得空间电梯的概念成为可行,并在马歇尔太空飞行中心组建了一个研讨会,邀请许多科学家和工程师讨论概念并编制电梯计划,将概念变为现实。


2000年,另一位美国科学家Bradley C. Edwards建议用碳纳米管复合材料制造一条长达10万公里(62,000英里)长的薄纸带。他选择了宽薄的带状横截面形状,而不是早期的圆形横截面概念,因为这种形状将更容易受到流星体的影响。带子的横截面形状也为攀登者用简单的滚子爬升提供了很大的表面积。在美国宇航局高级概念研究所的支持下,Edwards的工作扩展到覆盖部署方案,登山设计,动力输送系统,避免轨道碎片,锚定系统,幸存的原子氧,通过在赤道西部找到锚点避免闪电和飓风太平洋,建筑成本,施工进度和环境危害。[2] [14] [15] [16]


21世纪

为了加速太空电梯的开发,支持者已经组织了几次竞赛,类似于Ansari X奖,以获得相关技术。[17] [18]其中包括电梯:2010年,该组织于2005年至2009年间组织了攀登者,绶带和电力发射系统的年度比赛,Robogames太空电梯攀登攀岩比赛[19]以及美国宇航局的百年挑战计划,该计划于2005年3月,宣布与Spaceward基金会(电梯运营商:2010)合作,将奖品总值提高到40万美元。[20] [21]第一个欧洲太空电梯挑战赛(EuSEC)于2011年8月成立了一个登山者结构。[22]


2005年,“LiftPort集团的太空电梯公司宣布将在新泽西州米尔维尔建设一座碳纳米管制造工厂,为这些强力材料供应各种玻璃,塑料和金属公司,尽管LiftPort希望最终使用碳纳米管在建造一个10万公里(62,000英里)的太空电梯时,这一举措将使其能够在短期内赚钱,并开展新的生产方式的研究和开发。“[23]他们宣布的目标是在2010年发射一枚太空电梯2006年2月13日,LiftPort集团宣布,在同一个月早些时候,他们测试了一英里由碳纤维复合材料绳和玻璃纤维胶带制成的“太空升降绳索”,宽度为5厘米(2.0英寸),宽度为1毫米(约13张纸)厚,用气球提起[24]。


2007年,“电梯:2010”举办了2007年的太空电梯游戏,该两场比赛各获得500,000美元奖金(总计100万美元),并在未来五年内额外奖励400万美元电梯相关技术。[25]没有球队赢得比赛,但麻省理工学院的一个团队进入了第一个2克(0.07盎司),100%碳纳米管进入比赛。日本于2008年11月召开国际会议,拟定建造电梯的时间表。[27]


2008年,布拉德爱德华兹博士和菲利普拉根撰写的“由太空电梯离开地球”一书以日文出版,并进入日本畅销书排行榜。这导致了日本太空电梯协会主席小野秀一推出了一个空间电梯计划,提出了观察员认为一个万亿日元(50亿美元/ 80亿美元)非常低的成本估计,以建立一个。


2012年,大林公司宣布38年后可以建造一座采用碳纳米管技术的太空升降机。]以每小时200公里的速度,该设计的30人乘坐的登山者在经过7.5天的行程后将能够达到GEO的水平。[30]没有成本估算,财务计划或其他细节。这与时间以及其他因素一起,暗示该公告主要是为了公司在东京的其他项目之一的开业提供宣传。


2013年,国际宇航科学院发布了一项技术可行性评估,得出的结论是,所需的关键能力改进是系绳材料,预计在20年内达到必要的强度重量比。长达四年的研究考察了太空电梯开发的许多方面,包括任务,开发计划,财务投资,收入流和收益。据报道,有可能在运行中承受较小的影响,避免更大的影响,流星和空间碎片,并且将一公斤有效载荷提升到GEO及其以后的估计成本将为500美元。[32] [33]


2014年,Google X的快速评估研发团队开始设计一款太空电梯,最终发现还没有人制造完美成型的长于一米的碳纳米管束。因此,他们决定将这个项目放在“深度冻结”中,并且密切关注碳纳米管领域的进展。

太空电梯电缆随着地球的旋转而旋转。 因此,附着在电缆上的物体会在与向下的重力相反的方向上受到向上的离心力。 物体所在的电缆越高,地球的重力拉力就越小,并且由于旋转导致的向上的离心力越强,所以更多的离心力对抗较小的重力。 地球同步赤道轨道(GEO)的离心力和重力均衡。 在GEO以上,离心力比重力强,导致附着在电缆上的物体向上拉。


附着在电缆上的物体的净力称为表观引力场。 附着物体的表观引力场是(向下)重力减去(向上)离心力。 电缆上的物体所经历的表观重力在GEO处为零,低于GEO,并且高于GEO。

物理表达式:

实际重力的向下力随着高度而下降:

由于行星旋转而产生的向上的离心力随着高度而增加:

表达式变形即:

太空电梯构想模型
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