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      楊博士專刊 | 太空電梯可行性研究之一(構(gòu)想與誤解)

       nplaiyanfang 2023-05-05 發(fā)布于福建

      看完《流浪地球2》電影,又看到網(wǎng)上對(duì)太空電梯的一些所謂“科學(xué)”討論,很想寫一下太空電梯的不可行性研究。但仔細(xì)想了想,哪次科學(xué)進(jìn)步不是從不可能開始的呢?采用科學(xué)方法研究一下太空電梯的可行性和關(guān)鍵技術(shù),將是建設(shè)性的,增加認(rèn)知進(jìn)步和微小的實(shí)現(xiàn)可能性不也是有益的嗎?




      太空電梯構(gòu)想

      圖片

      太空電梯概念最早由蘇聯(lián)“航天之父”、著名火箭專家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin E. Tsiolkovsky,1857~1935年)提出。科幻作家亞瑟·查爾斯·克拉克(Arthur Charles Clarke)在《天堂的噴泉》(The Fountains of Paradise, 1979年, 雨果獎(jiǎng),星云獎(jiǎng))中曾對(duì)太空電梯進(jìn)行過描寫。1999年美國(guó)宇航局馬歇爾中心的先進(jìn)辦公室發(fā)表了《天梯:太空的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施》。2004年在華盛頓召開的第三屆國(guó)際天梯會(huì)議上,專家們對(duì)天梯這一宏偉構(gòu)想進(jìn)行了探討。2005年美國(guó)宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。(上述信息來(lái)源于網(wǎng)絡(luò),未經(jīng)詳細(xì)核實(shí))

      太空電梯的構(gòu)想大概如下:在地球靜止軌道附近建設(shè)一座太空城,與地面用纜繩連接起來(lái),成為向太空運(yùn)輸人和物的捷徑。


      太空電梯的實(shí)現(xiàn)目的

      建設(shè)太空電梯的目的是相對(duì)發(fā)射火箭大幅節(jié)省向太空運(yùn)送有效載荷的費(fèi)用。目前國(guó)際空間站質(zhì)量420噸(最多可載13人),中國(guó)空間站質(zhì)量180噸(最多可載6人),所以未來(lái)空間站或宇宙飛船可按人均質(zhì)量30噸左右計(jì)算,《流浪地球》小說中的“極樂世界”號(hào)宇宙飛船可以裝載60000人,其質(zhì)量應(yīng)在180萬(wàn)噸左右。目前采用火箭發(fā)射每公斤有效載荷約需2萬(wàn)美元左右,若以火箭發(fā)射方式建設(shè)“極樂世界”號(hào)宇宙飛船,發(fā)射費(fèi)用將達(dá)到36萬(wàn)億美元,2022年中國(guó)GDP18萬(wàn)億美元,也就是說需要相當(dāng)于2年中國(guó)GDP的費(fèi)用才能完成“極樂世界”號(hào)宇宙飛船的發(fā)射任務(wù),可見以火箭發(fā)射方式建設(shè)超大型宇宙飛船將耗費(fèi)多么驚人。而如果可以建成太空電梯,則運(yùn)送每公斤有效載荷的費(fèi)用將有望降低到10美元以下,吸引力巨大。

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      對(duì)太空電梯的誤解

      看到一些對(duì)太空電梯的討論,誤區(qū)很多,距離真正的科學(xué)認(rèn)知還有較大差距,大概總結(jié)如下:

      1) 太空電梯可以用火箭推動(dòng)橋箱。《流浪地球2》中的太空電梯橋箱是用火箭推進(jìn)的,沒忍住在電影院里違和地笑出了聲。呵呵,要是用火箭推動(dòng),那還建設(shè)太空電梯干嘛?視覺效果確實(shí)很震撼,但電影科學(xué)顧問們實(shí)在是有些失職,電梯的基本運(yùn)送原理是讓一個(gè)配重質(zhì)量下降、才能拉著另一個(gè)基本對(duì)等質(zhì)量的有效載荷上升。

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      2) 太空電梯理論上完全可行。太空電梯的建設(shè)和運(yùn)行不但涉及到眾多復(fù)雜技術(shù)問題,更應(yīng)符合基本物理學(xué)概念,而這后一點(diǎn)至關(guān)重要,后期文章會(huì)有所討論,太空電梯可不是如想當(dāng)然的那樣理論上一定具有可行性。

      3) 太空電梯的關(guān)鍵難題是纜繩材料強(qiáng)度問題。太空電梯的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題可不止纜繩材料強(qiáng)度問題,有眾多關(guān)鍵性技術(shù)問題需要攻克,缺一不可。

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      太空電梯的關(guān)鍵技術(shù)
      建設(shè)太空電梯,大概會(huì)涉及到如下關(guān)鍵技術(shù):

      1) 太空電梯基本概念設(shè)計(jì)

      2) 頂部配重質(zhì)量確定與獲得方式

      3) 拉索材料強(qiáng)度與長(zhǎng)度方向截面大小確定

      4) 頂部配重質(zhì)心位置、共同質(zhì)心位置的確定與穩(wěn)定安全冗余控制

      5) 拉索與橋箱等風(fēng)作用影響分析

      6) 拉索頂?shù)撞炕A(chǔ)形式與安全度分析

      7) 太空電梯的運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

      8) 太空電梯失效后破壞力分析

      9) 太空電梯建設(shè)與使用的經(jīng)濟(jì)性分析

      10) 太空電梯的拆除關(guān)鍵技術(shù)

      上述每一項(xiàng)太空電梯關(guān)鍵技術(shù)都具有極高難度,都是對(duì)人類科學(xué)技術(shù)極限的挑戰(zhàn),并可以籍此讓人類科技有所突破。


      總結(jié)

      太空電梯概念的提出者齊奧爾科夫斯基有過一句名言:“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。'正因?yàn)榫邆洳粩嗵剿鞯木?,我們才一次次將一件件不可能的想象變成了現(xiàn)實(shí)!

      END

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