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2008年11月2日星期日

太空電梯誰主潮流?


建造一個6.2萬英里長的電纜從赤道垂直引出,用向心
力將其定位,然後用大型運輸電梯將衛星和航天器送
出大氣層,圖中的攀爬者運載器能承載有效載荷

太空電梯模擬圖

納米技術製造一個強韌而且足夠長的強固電纜軌道

通過雷射束來提供能源




   太空電梯的概念提出後,各國爭先硏究,美國、日本相繼投入巨資構建。隨着科技的發展,太空電梯不再是夢想,但誰又能拔得頭籌呢?

  什麼?太空電梯?這是天方夜譚吧!太空電梯的概念最初被提出時,人們是這樣的反應。太空電梯這個概念最早來自100年前,著名的火箭科學先驅者齊奧爾科夫斯基設想了一個建立在巨塔頂端的天空城堡”(或許聖經裏的巴比塔更早,不過那裏沒有電梯)


日本投入巨資構建
   人們一直以來都認為不管用多麼堅固的材料做纜索,都有可能承受不了太空電梯的重量而發生斷裂。但是,隨着納米技術的發展,科學家不斷開發出品重量 輕、強度高的碳納米管纖維材料,現有的此類纖維材料強度已經達到了所需強度的四分之一,這使修建太空電梯不再是鏡中花,水中月,逐漸成為可能。

   美國的太空電梯競賽已經三次以無人達到標準(每秒兩公尺的上升速度)吿終,但美國很認眞地要繼續推動這個技術的發展。日本則是投入了近百億美元發展自己 的太空電梯技術,希望能在這個領域取得領先。誰先造出第一部太空電梯,幾乎就等同於贏得了殖民外太空的門票,因此可以想像當技術進步到一定程度之後,一定 會引發新一波的太空競賽。

  據日本《朝日新聞》日前報道,由於納米技術的發展,從來只存在於科幻小說世界的太空電梯有可能變成現實。一個相關硏究團體已經在日本成立,第一屆太空電梯會議也將於今年11月在日本召開。這是否意味着日本將率先將太空電梯送入太空呢?


碳納米管製成電纜
   太空電梯的主體是一個永久性連接太空站和地球表面的纜繩,可以用來將人和貨物從地面運送到太空站。而且,太空電梯還能用做一個發射系統,因為太空電梯必 然被地球帶動旋轉,而越高的地方速度越快,所以將飛船從地面運送到大氣層外足夠高的地方,只要一點加速度就可以起航了。或者用太空電梯把零部件帶上太空 站,在那裏組裝。

   歷來大多數火箭的燃料是用於衝破地球厚厚的大氣層,擺脫星球的強大引力場。不過目前有個新的方法可以將有效載荷運到天空,那就是建造一個6.2萬英里長 的電纜從赤道垂直引出,用向心力將其定位,然後用大型運輸電梯將衛星和航天器送出大氣層。這個方法存在的一個主要的疑難問題是:地球上根本就沒有能夠維繫 該系統的強固電纜。

   太空電梯是目前最有前景的技術,可以用於外太空的通勤。該理念由亞瑟·克拉克提出,他在上世紀70年代末設想了延伸到太空的電梯,並以此寫出《天堂的噴 泉》,描述了在一個熱帶島嶼建造一個太空電梯的故事。他在這本1979年出版的小說裏描述了一種令人難以置信的又薄強度又高的碳纖維,可以一端錨定在地球 上,另一端延伸到位於一個地球同步靜止軌道的衛星上。現在,從事太空電梯硏究的日本科學家們相信他們可以建立一架太空電梯,比人們能夠想像的還要便宜迅 速。

  技術的發展已慢慢將小說中的想像變成現實:我們有定置衛星以及碳納米管,足以保證製成強度大而又輕便的纜帶,當然還要保證數量。一架太空電梯將長達數萬英里。


太空電梯運載貨物
   假設太空電梯得以建成,要把地球上的一批貨物送往太空,這批貨物在地球表面上的時候,跟隨地球表面一起運動,它的環繞地球線速度為463.31/秒, 但是,通過太空電梯運送到距離地球35,860千米高的地球同步靜止軌道上時,它的環地球環繞速度達到了3,075/秒,速度為地表時的6.64倍,動 能為地表時44.1倍,從地球表面到地球同步靜止軌道,物體的動能得到巨大的增長,這樣巨大的動能來自何方?採用常規方式發射的航天器,動能由運載火箭、 太空船等運載工具提供。通過太空電梯運載到太空中的貨物,動能只能由太空電梯系統提供,物體從地面到太空所增加的不但有動能還有勢能,太空電梯上的攀爬 運載器把通過雷射所傳遞來的能量,轉化為物體的勢能。但動能只能由地球和系留衛星(用繫繩或鏈與航天器相連,可以施放和收回的人造地球衛星)損失自己的 動能來補充貨物的動能。

   當然人類的某些舉措也會促使太空電梯由夢想變為現實。早幾年就曾舉辦過一場太空空梯2010”設計比賽,華盛頓一家LiftPort公司當時還承諾將 20311027日建成一架太空電梯,並售票營運,為25美元/盎司。日本太空電梯協會是太空電梯領域的一個新成員,根據該協會董事Yoshio Aoki預計,只要採用運用於日本新幹線即子彈頭火車的技術,日本的工業和硏究力量將能夠克服懸而未決的障礙。碳纖維需要的拉伸強度是鋼的180倍,目前 正在由日本紡織公司開發。


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