太空电梯

第九届电梯和自动扶梯技术研讨会将在 XNUMX 月达到更高的水平。

编者注： 国际空间电梯联盟 (ISEC) 的 Bryan Laubscher 博士将在 XNUMX 月举行的第九届电梯和自动扶梯技术研讨会上以及前一天晚上的北安普顿大学 (UoN) 公开讲座上发表主旨演讲。 Laubscher 将就“太空电梯的概念和动力学”发表演讲。 作为预览，本文提供了该项目的技术背景和愿望。 您可以在以下网址找到有关 UoN 讲座和电梯和自动扶梯研讨会的更多信息 www.liftsymposium.org.

太空电梯是太空旅行的新梦想。虽然尚未实现，但现有的技术足以让它变得触手可及。作为 17 世纪俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的创意，与外太空建立切实联系的想法已经发展了几个世纪。1959 年，俄罗斯同胞尤里·阿苏塔诺夫提出了当代塔式结构的想法，这种结构不依赖于抗压强度，而是依赖于抗拉强度。地球同步轨道上的卫星将通过大气层将系绳送至地面。从那时起，这个想法得到了多个应用：1966 年的一份美国科学杂志，其中四位科学家撰写了关于“天钩”的文章；1975 年，杰罗姆·皮尔逊提出了“轨道塔”构想，他通过理论背后的数学原理完善了这个想法；最后，甚至在亚瑟·克拉克 1979 年的小说《天堂的基础》中得到了普及。

乍一看，似乎没有必要开发这种创新的太空旅行方式，因为有些人认为它已经变成了一个栖息地：自 2000 年以来，国际空间站一直是宇航员的永久家园。根本原因似乎是为了提高可达性。对于几乎所有人类来说，太空都是遥不可及的，就像大多数大陆在铁路将遥远的大陆连接起来之前一样。不仅如此，太空旅行尚未实现商业化或经济实惠，而且交通既不优质也不安全。毫无疑问，所有这些都让人想到，也许我们在错误的地方、使用错误的技术寻求解决方案。

现代太空电梯最像阿尔苏塔诺夫的想法，其基本原理相同：一条从地面延伸到太空的垂直细绳。 然而，这就是相似之处的结束。 最新的愿景需要在赤道连接到地球的系绳，延伸到远远超过地球静止轨道的配重。 这样的轨道正好在赤道上空，其半径以正确的速度提供公转，以确保卫星永久保持在地球上相同的地理点上。 被称为“登山者”的电梯轿厢以快速列车的速度上升和下降，多个登山者在任何时候都连接在绳索上，运送货物或乘客。 预计到达地球静止轨道需要4-5天的时间，并且每天都会引入一名新的登山者。

但是，太空电梯的潜力远不止简单地将有效载荷从地球大气层中转移出来。 可以利用这个想法核心的旋转运动并具有单独的功能：将有效载荷注入行星转移轨道。 通过简单地改变货物从系绳上丢弃的位置，可以实现不同的轨道。 如果在 2,000 公里后释放，有效载荷将获得近地轨道。 四到五天后释放将使地球静止轨道。 除此之外，还允许跨行星注入，这是可能的，因为沿着系绳进一步移动会增加货物的速度，直到它移动得足够快以逃离地球轨道。 ISEC 的成员建议将月球和火星作为行星际旅行的初始目标，并希望太空电梯用作第一批定居者所需基础设施的传送系统。

至于太空电梯的物理原理，地球自转产生的离心力将系绳拉紧（远离地球）和向心力将系绳拉向地球，就像一个质量在上面绕圈摆动一样。一个字符串。 这需要对系绳施加巨大的力量，因此系绳的组成材料的特性非常重要； 即它的比强度。 材料的比强度是其强度和密度的比值，而碳纳米管被誉为该项目的未来（图 1）。 高拉伸强度和低密度使这种碳的同素异形体能够支撑其自身重量，其长度比任何其他可用材料都要长得多。 ISEC 科学家们希望获得 30-40 MYuri 的特定强度，这是一种向 Yuri Artsutanov 致敬的新单位（1MYuri = 1 万帕/（kg/m3））。 这对于创建系绳来说比必要的价值更大，但为了便于实用，工程师选择了增加的比强度，根据对碳纳米管的预测，这是很容易实现的。 至于系绳的设计，它的厚度必须从最大张力点（在地球同步地球轨道上）到最小张力点（在地面上），即系绳最粗的点，向下逐渐变细。 ，它将是最薄的地方。

碳纳米管也非常有弹性，这可能使它们能够灵活地应对登山者上升时产生的科里奥利力：随着每个登山者上升，绳索的速度随着远离地球的距离而增加，他们将四处旅行行星比它正在攀爬的那部分系绳慢。 这意味着当地球向前旋转时，科里奥利力将向后作用。 这个过程将是相同的，但在每个登山者的下降阶段颠倒过来。 Bryan E. Laubscher 博士是 Odysseus Technologies 的创始人，该公司的目标是开发这些高强度纳米管材料。 奥德修斯已经发明了一种合成此类材料的新方法，并完成了原理验证实验。 同样在 ISEC 的董事会，我们很高兴他将在研讨会上就这个主题发表演讲。

由于系绳在远离地球延伸时作用在系绳上的重力和离心力不均匀，因此需要在太空中放置大约 100,000 公里的配重，并且有多种建议可以使用，从捕获的小行星到使用太空船坞的登山者。

太空电梯将由登山者身上的太阳能电池供电，每个太阳能电池都通过地面站系绳底部发出的阳光或激光发电。 这种动力安排的众多好处之一是登山者不受火箭必须携带的燃料重量的影响——而火箭的 90% 用于推进剂，登山者的额外重量只能考虑货物和乘客。 另一个好处是通过消除火箭燃料带来的爆炸危险来提高风险投资的安全性。

登山者有多种建议的设计，但大多数人希望使用滚轮，使他们能够利用摩擦力攀登绳索。

维护绳索的功能并确保其安全将是维护登山者的工作，他们将处理小碎片损坏并提供持续检查。 然而，所有登山者都配备了自己的推进系统，以防止不可避免的卫星和大块太空垃圾。 希望这种设计足以将系绳推离伤害（并且系绳会弯曲以适应这种运动）。

建造太空电梯是一项挑战，因为如何将数英里的系绳带从外太空悬挂回地球的问题没有简单的答案（图 2）。 这将需要多个阶段。 第一阶段是使用火箭将重达 80 吨的碳纳米管种子带提升到低地球轨道。 从那里，种子带将被组装成更长的带，然后被额外的火箭推进到地球同步地球轨道并变得稳定。 从这个最初的色带开始，越来越多的材料将被添加，将系绳向上延伸到外太空，向下延伸到地球，直到色带最低部分的末端被重力拉下。 然后系绳将被捕获并锚定在地面站。

从初始厚度开始，系绳将不断扩展。 它具有如此强大的提升能力，即使是 7 厘米的厚度也可以导致每天传输 1,000 吨材料——相当于每天三个完整的国际空间站。 每公斤价格的下降是惊人的。 目前，将每个有效载荷送入太空的成本约为每公斤 20,000 美元。 太空电梯可以将其削减至仅美元。

然而，就目前而言，发展过程是关键。 探路者任务首先是简单地使用已知技术（例如 Kevlar®）进行试验，以了解在色带上上下移动质量的可行性。 这是 LiftPort 集团在 2006 年首次尝试，将碳带拉伸 1 英里。 使用气球升空并派遣机器人升空（在某种程度上被认为是成功的测试）。 从那里开始，ISEC 建议继续使用种子系绳，目标是到 2031 年，应该以前面描述的方式部署和捕获丝带。 然后设想单绳测试来检查拟议的登山者流动作为模拟，同时不断加强系绳。 测试将在运行标准下验证系统性能，并导致空间电梯真正开始成型的运行能力有限。 此时，所有必要的硬件都已部署完毕，人员将准备好进行评估。 在满负荷运行之前，将扩大太空电梯的服务； 改进； 并且，ISEC 希望将添加新功能。

太空电梯的上部结构将是广阔的（图 2）。 地面站，被称为地球港，是一个将系绳固定在地面上并提供装卸货物和乘客的场所的综合设施。 地球静止轨道节点也被设想为空间电梯在系链上半程活动的综合体。 远端将是顶点锚，由配重和另一个用于空间电梯活动的复合体组成。

当然，这种规模的项目必须有保护，所以每个端口和节点周围的空间，以及系绳本身的柱子，都会有类似于空域的监控。 地球港周围的区域将从海底一直延伸到太空的真空。 而且，对于地球静止轨道和顶点节点，将有一个受保护的区域，其中包含地球自转时被系链扫过的任何体积。

这项计划的局限性之一似乎是货物和乘客的装卸问题，因为系绳只能锚定在赤道沿线。人们已经习惯了从家出发几分钟就能到达火车等交通工具的想法，各国也希望在自己的境内有自己的终点站。这是可行的，因为系绳或节点中唯一需要固定的部分必须位于赤道上方，因此可以设想在赤道镜像线的两侧反射两条或更多条系绳（图 3）。

视觉污染不应受到太大关注。 尽管许多现代机场扩建和建设火车站可能会引起恐慌，但地球港的影响应该是最小的。 它会比机场小得多，而且只有在恰到好处的光线下才能看到太空电梯和太空中的任何端口。

有一个太空电梯的愿景，可以成为旅游胜地或星际旅行的港口。 它可以提供从完全可访问的太阳能电池板发电或从月球开采中获取资源的能力。 有远见的人希望医院和工厂。 也许它会成为一个新的领域。

案例
[1] Aravind, PK “太空电梯的物理学”，美国杂志
物理学，第。 125-130 (2007)。
[2] Arthur, I. “向上跳跃：太空电梯”（2018 年，4 月 XNUMX 日）。
[3] Donahue, MZ “人们仍在尝试建造太空电梯。”
取自史密森尼杂志 (www.smithsonianmag.com/
创新/人们仍在尝试建造空间电梯-180957877)
（2018 年，4 月 XNUMX 日）。
[4] Fitzgerald, M., Hall, V., Swan, PA & Swan, CW “设计注意事项
用于太空电梯 Apex 锚点和 GEO 节点，”Irvine (Lulu.com)
（2017）。
[5] Smitherman, Jr., DV “太空电梯：先进的地球空间
新千年的基础设施”，亨茨维尔：美国国家航空航天局（2000 年）。
[6]“太空电梯”。 取自维基百科 (en.wikipedia.org/wiki/
Space_elevator)（2018 年 4 月 XNUMX 日）。
[7] “太空电梯架构”，取自 ISEC (isec.org/wp-content/
uploads/2017/05/SEArchitectures_rev0.pdf )（2018 年 4 月 XNUMX 日）。
[8] “太空电梯常见问题解答”。 检索自 ISEC (isec.org/space-elevator-faq)
（2018 年，4 月 XNUMX 日）。
[9] “什么是太空电梯（500 字以内）？” 从 ISEC 检索
(isec.org/2016-05-29-06-04-13/what-is-a-space-elevator-in-500-wordsor-
少）（2018 年，4 月 XNUMX 日）。
[10] “原始 Hochgeladen von Schwarzm am 30。” 自我创业
C4D/Cartoonrenderer，GNU FDL - 德语维基百科，原始上传
29 年 2004 月 3.0 日，由 APPER，CC BY-SA XNUMX (commons.wikimedia.
org/w/index.php?curid=350208）。