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连载十三:存在廉价发射方式之太空电梯(图)


http://www.sina.com.cn 2004年09月21日 17:14 解放军出版社
连载十三:存在廉价发射方式之太空电梯(图)
傲立宇宙间,顶天立地的“第二巴别塔”——太空电梯
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  新浪科技独家连载解放军出版社《星际快帆》一书,以下《登天的小径》一章中的内容:

  依靠最新的技术成果,造出可以实际应用的空天飞机应该并不太难,但它既不是实现廉价发射的惟一方案,也远不是最便宜的,至少在科幻小说《天堂的喷泉》中提到过的“太空电梯”就是个看来更好的主意。

  “太空电梯”的概念由来已久,其本质是建设一条永久性的“缆绳”类建筑,将地面与地球轨道上的某一点连接起来,并允许人员物资运输工具沿着这条 “缆绳”行驶。听起来这和我们常见的电梯确实一模一样,问题在于我们要连接哪两个点和怎样连接。

  第一个问题很容易回答,由于必须保证“太空电梯”本身的刚性,不能让它随着地球的转动被拉得到处乱绕圈子,甚至因为拉扯而损坏,它的重心必须位于地球同步轨道上(距地面35800千米左右),以使它与地面上的对应点随时保持相同的角速度,而这个对应点,当然也只能在赤道上,至于经度是否也必须正对,倒不见得,只要“太空电梯”的设计制造者能够容忍它斜着向高空伸展出去。考虑到重量平衡,“太空电梯”实际上应该由两部分组成,20多年前在《少年科学》杂志上就有人介绍过这种设计。按照那篇文章,“太空电梯”将包括自重心点起往上、下两方向各自伸展出的数万千米长的索道或者管道,分别被形象地称为“吊天梯”和“甩天梯”。这些“天梯”可让类似地铁列车的车辆沿着它们行驶。当然,如果是载人的,车体必须气密。此外,因为是垂直行驶,车与轨道间应该还要有某种固定装置。比较简单的一种设想是在管道四周设置类似超导磁悬浮列车的悬浮磁体。至于车上下行进的动力,可以采用类似电梯式的吊挂牵引,但更好的是直接利用约束磁体的磁场变动产生电磁推力。

  和大多数公共交通一样,“太空电梯”内的列车也将设置成两向对开,并在适当的高度安装“站台”以方便乘客和货物上下。这些站台实际是固定在“天梯”上的空间站,它们的重量应该从最初设计时就考虑在内,甚至“列车”的载重和行驶位置也需要精确计算。如果“天梯”失去平衡,巨大的拉扯力是很难靠 “天梯”本体的强度抵消的。实际上,即使处于完全平衡状态,按照计算,普通材料也没有一种能满足“天梯”对抗拉强度的需要,这正是“天梯”设想面临的第二个技术难题。根据现在的材料科技水平,理论抗拉强度满足“天梯”需要的只有20世纪90年代发现的碳纳米管,这让“天梯”梦想的支持者们觉得终于有了一线希望。然而,目前人们还只能获得毫米级长度的碳纳米管,如果要将它发展成为一种实用的建筑材料,还存在着大量实际困难。

  除了材料方面的难题,“天梯”设想还存在着其它先天不足。首先,由于要利用地球同步轨道,它的“起点站”必须建在赤道地区,但在赤道地区可作为航天基地的地方不多,离大多数发达航天国家也嫌远了些。即使这一问题通过国际合作可以解决,一根纵贯苍穹的“天梯”也是航空航天器的重大安全隐患,特别是万一出现类似“9·11”的有意撞击事件时,很难保证“天梯”不因此崩溃。而数万千米长的“天梯”无论飞向宇宙太空还是掉回地面,造成的损失无疑都是灾难性的。即使不出现有意破坏,意外事故,特别是发生在“天梯”内的故障,也可能造成平衡问题和结构损伤,进而使“天梯”崩溃。

  太空垃圾和微流星的碰撞以及自然老化更是总有一天会让宝贵的“天梯”结构出现问题,而为了避免这些,必须支付一大笔巡逻检查和日常维护费用。最后,假设以上问题都找到了可用的解决方案,“天梯”终于可以开始动工了,人们会发现,问题实际上回到了起点:由于平衡性和材料强度方面的各种问题,“天梯”必须从地球同步轨道开始向两端建造。全长也许有10万千米的“天梯”,即使每千米质量只有1千克,也得向太空中发射10万千克的各种物资,其中相当部分是发送到地球同步轨道的。依靠现有技术,相同火箭的地球同步轨道发射能力仅是低轨道的 1/3左右,而“天梯”建造的最初目的便是为了获得一种廉价的太空发射手段!没办法了,假定联合国真的决定不惜巨资,一劳永逸地建筑“天梯”吧,这将是人类能够想像的最伟大工程之一,或许可以称它为“第二代巴别通天塔”,但愿它不再像先辈那样因人为的矛盾与纷争而最终停工。



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