太空電梯設(shè)計(jì)圖(流浪地球二太空電梯設(shè)計(jì)圖)

本篇文章給大家談?wù)勌针娞菰O(shè)計(jì)圖，以及流浪地球二太空電梯設(shè)計(jì)圖對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔。2021年11月，國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，未來(lái)太空電梯作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可將物資和人員運(yùn)到太空，成為進(jìn)入太空的新通道。這就是一些國(guó)家研究人員正在嘗試設(shè)計(jì)的太空電梯。美國(guó)電梯港集團(tuán)公司的太空電梯廣告其中，美國(guó)電梯港集團(tuán)公司正在研制的太空電梯可以一次運(yùn)送30名乘客，在6個(gè)小時(shí)內(nèi)抵達(dá)10萬(wàn)千米外的太空。太空電梯必須能防雷擊，否則它將容易被斬?cái)唷Ｔ缙诘奶针娞菰O(shè)想SAIXIANSHENG俄美積極攻關(guān)俄羅斯和美國(guó)都在研制太空電梯。

本篇文章給大家談?wù)勌针娞菰O(shè)計(jì)圖，以及流浪地球二太空電梯設(shè)計(jì)圖對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔。

本文目錄一覽：

• 1、太空電梯是哪個(gè)小說(shuō)
• 2、為什么太空電梯是矩形狀的
• 3、美國(guó)“天梯”工程將于多久完工？
• 4、你們說(shuō)，太空電梯在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)嗎？
• 5、太空電梯何時(shí)建成??？
• 6、太空電梯將成現(xiàn)實(shí)，穿梭太空僅需數(shù)小時(shí)，為什么科學(xué)家卻感到擔(dān)憂不已？

太空電梯是哪個(gè)小說(shuō)

《三體》中的太空電梯，有可能成為現(xiàn)實(shí)嗎？

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中科院物理所

回答于 2023-01-21

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《流浪地球2》中出現(xiàn)了太空電梯的身影

導(dǎo)讀：

劉慈欣的長(zhǎng)篇科幻小說(shuō)《三體》的動(dòng)畫(huà)片版已于去年年底在B站上映，電影《流浪地球2》將在今年春節(jié)的1月22日開(kāi)始在全國(guó)各大影院閃亮登場(chǎng)。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是里面都有太空電梯的場(chǎng)景。太空電梯只是科幻嗎？會(huì)有真正實(shí)現(xiàn)的那一天嗎？

撰文 ｜ 龐之浩

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國(guó)外科幻片中的太空電梯

記得小時(shí)候看過(guò)一本18世紀(jì)德國(guó)著名的兒童文學(xué)作品，書(shū)名為《吹牛大王歷險(xiǎn)記》。書(shū)中的主人公為了到月亮上撿回他扔上去的銀斧，就在地上種了一粒土耳其豌豆，豌豆苗生長(zhǎng)很快，不久就長(zhǎng)到天上去了。他順著豆藤向上爬，僅一個(gè)多小時(shí)，就成功爬上了月亮。于是，這根能通向月亮的豆藤就永遠(yuǎn)刻印在了我的心里?；孟肟偸悄敲疵利悺２贿^(guò)，這美麗的幻想，或許真的能照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

很久以來(lái)，人類(lèi)就夢(mèng)想通過(guò)建造太空電梯上天，并一直不斷努力。有研究表明，這個(gè)夢(mèng)想將在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)。2021年11月，國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺表示，未來(lái)太空電梯作為永久性物流基礎(chǔ)設(shè)施，可將物資和人員運(yùn)到太空，成為進(jìn)入太空的新通道。

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太空電梯示意圖

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科幻將變現(xiàn)實(shí)？

用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道上的平臺(tái)上，另一端緊緊抓住距地面約3.6萬(wàn)千米、在地球靜止軌道上運(yùn)行的航天器，就可使一個(gè)形似電梯的吊箱載著貨物、人員沿吊索駛向太空……這就是一些國(guó)家研究人員正在嘗試設(shè)計(jì)的太空電梯。

現(xiàn)在，進(jìn)入太空的主要工具是運(yùn)載火箭，即通過(guò)消耗大量燃料來(lái)擺脫地球引力。運(yùn)載火箭所攜帶的燃料要占到火箭總重量的90％以上，每運(yùn)送1千克有效載荷上天平均需耗資至少1萬(wàn)美元。

雖然太空電梯造價(jià)昂貴，但不需要?jiǎng)佑么罅咳剂希虼私ǔ芍蟮倪\(yùn)行費(fèi)用比運(yùn)載火箭低兩個(gè)量級(jí)，且可像高速公路一樣24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，將航天器、物資和包括旅游者在內(nèi)的人員帶到太空去。英國(guó)一項(xiàng)測(cè)算顯示，用太空電梯運(yùn)送1個(gè)人和貨物的費(fèi)用相當(dāng)于用航天飛機(jī)運(yùn)費(fèi)的0.25％。國(guó)際宇航科學(xué)院秘書(shū)長(zhǎng)讓·米歇爾·康坦表示，利用太空電梯運(yùn)輸，每千克物資運(yùn)輸成本約為500美元，比使用火箭每千克至少要花1萬(wàn)美元更便宜的多。

太空電梯的概念最早由俄國(guó)科學(xué)家、航天學(xué)之父齊奧爾科夫斯基在20世紀(jì)初提出，他曾建議利用一個(gè)太空繩索系統(tǒng)，在空間站之上形成人造地心引力。此后，俄國(guó)早期太空預(yù)言家塔斯安德?tīng)栆蔡岢鲈诘厍蚺c月球之間搭建一條繩索連接的太空電梯，他認(rèn)為地心引力能夠讓繩索伸展開(kāi)來(lái)，使其成為用于運(yùn)送負(fù)荷的空中索道。1965年，蘇聯(lián)航天技術(shù)總負(fù)責(zé)人科羅廖夫組織中央機(jī)器制造設(shè)計(jì)局開(kāi)始為第一個(gè)太空繩索設(shè)備做準(zhǔn)備，打算用一條鋼纜將聯(lián)盟號(hào)宇宙飛船與運(yùn)載火箭的末級(jí)進(jìn)行連接。不幸的是，這一工程在科羅廖夫去世后就被中止。1979年，著名科幻大師克拉克在其小說(shuō)《天堂噴泉》再次提出太空電梯的概念，并引起了廣泛注意，因?yàn)樗哂欣碚摶A(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，但存在一系列非常復(fù)雜的工程學(xué)問(wèn)題，最大的挑戰(zhàn)在于沒(méi)有人能造出數(shù)萬(wàn)千米長(zhǎng)的超強(qiáng)纜繩。

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用氣球試驗(yàn)太空電梯繩索

后來(lái)，在2003年9月15日在美國(guó)圣達(dá)菲召開(kāi)的研討會(huì)上，俄羅斯和美國(guó)等國(guó)家的70多位科學(xué)家和工程師對(duì)太空電梯進(jìn)行了討論，最終一致認(rèn)為它將在21世紀(jì)內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。這個(gè)曾被視為科學(xué)幻想的革命性工程近些年有了較大進(jìn)展，并有多種方案。

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美國(guó)電梯港集團(tuán)公司的太空電梯廣告

其中，美國(guó)電梯港集團(tuán)公司正在研制的太空電梯可以一次運(yùn)送30名乘客，在6個(gè)小時(shí)內(nèi)抵達(dá)10萬(wàn)千米外的太空。一旦建成，目前地球上運(yùn)程最長(zhǎng)、達(dá)800多米的迪拜塔電梯無(wú)疑將被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩入塵埃。

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基本原理簡(jiǎn)單

2018年9月25日，日本用貨運(yùn)飛船把一對(duì)用于世界首次太空電梯試驗(yàn)的立方體衛(wèi)星送往“國(guó)際空間站”。接著又從“國(guó)際空間站”釋放了這對(duì)邊長(zhǎng)為10厘米的立方體衛(wèi)星，它們之間用長(zhǎng)約10米的纜索連接；然后嘗試把一個(gè)像電梯吊箱的容器通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的纜索從一端移動(dòng)到另一端。

這是人類(lèi)首次在太空中移動(dòng)纜索上的容器，也邁出了人類(lèi)實(shí)現(xiàn)太空電梯的一步。

太空電梯的原理并不復(fù)雜，基本上就是用一條長(zhǎng)長(zhǎng)的纜繩一端固定在地球上，另一端固定在地球同步軌道的平衡物(如大型衛(wèi)星或空間站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，纜繩繃緊，太空電梯將利用太陽(yáng)能或激光能沿纜繩上下運(yùn)動(dòng)。

具體說(shuō)就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平臺(tái)上，另一端緊緊抓住在地球靜止軌道運(yùn)行的航天器上，這樣就可使一個(gè)形似電梯的吊箱載著貨物沿吊索駛向太空。

太空電梯由四大件組成：基座、纜索、電梯艙和動(dòng)力系統(tǒng)。

基座是太空電梯在地面上的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?；仨氝x在地球赤道地區(qū)，可以建在陸上，如高山頂上或高塔尖上；也能建在海上，像一個(gè)巨大的港口，世界各地的旅客和物資通過(guò)海、陸、空交通運(yùn)輸源源不斷地來(lái)到這里，然后乘坐或裝上太空電梯的電梯艙運(yùn)往太空。

纜索是太空電梯的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。制造纜索的材料必須有很高的拉伸強(qiáng)度/質(zhì)量比，可大規(guī)模生產(chǎn)，并且還要造價(jià)低廉。

電梯艙是乘坐人員和承載貨物的部位，功能跟傳統(tǒng)電梯一樣，但原理和結(jié)構(gòu)不同。電梯艙雖然也是沿著纜索向上爬，但從天上垂下一根超長(zhǎng)的繩子來(lái)將電梯艙吊上去是不太可能的，它要“自己想辦法”爬上去。最簡(jiǎn)單的方法是在電梯艙上裝馬達(dá)，帶動(dòng)夾著纜索的一組輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而取得向上的拉動(dòng)力。馬達(dá)的電源可以從纜索上取得，也能用裝在電梯艙上的發(fā)電機(jī)，但這兩種都會(huì)增加電梯艙的重量。比較省重量的方法是在電梯艙上安裝調(diào)諧太陽(yáng)電池板，然后從地面發(fā)射激光將電梯艙“射”上去。

其上升動(dòng)力有多種方案，可采用太陽(yáng)能、核能和電磁場(chǎng)等。但目前研究表明，采用激光和微波方式比較合適。

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標(biāo)準(zhǔn)的太空電梯升降廂

聽(tīng)起來(lái)很美，但如何構(gòu)建它呢？

首先，要建造一個(gè)基座平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)要位于一個(gè)暴風(fēng)雨、閃電和巨浪較少的海域,還要遠(yuǎn)離飛機(jī)的航線和衛(wèi)星的軌道。太空電梯必須能防雷擊，否則它將容易被斬?cái)唷?/p>

接著，發(fā)射卷有纜索的航天器到太空，讓纜索的一端借助重物墜回地面，最終與地球上的平臺(tái)相連接，同時(shí)，另一端連接位于太空的航天器上展開(kāi)。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，太空電梯纜索就會(huì)產(chǎn)生向上的離心力，而地球的重力將纜索往下拉，這樣纜索就平衡了。

最終，將履帶軌道固定在纜索的兩端，并且依靠從地面發(fā)射的激光轉(zhuǎn)換成的電能作為動(dòng)力加以推動(dòng)。它將建造成為管狀形的通道，沿軌道來(lái)回運(yùn)行時(shí)，可以將航天器、各種貨物和乘客帶入太空。他們可以乘座太空電梯沿管道升降。

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運(yùn)行在地球靜止軌道太空電梯的示意圖

現(xiàn)在，美國(guó)航空航天局和歐洲航天局等著名航天機(jī)構(gòu)都參與到了太空電梯合作中，但令科學(xué)家們最頭疼的是研發(fā)資金短缺。美國(guó)航空航天局太空電梯首席科學(xué)家愛(ài)德華茲估計(jì)該項(xiàng)目至少要花費(fèi)70～100億美元。

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早期的太空電梯設(shè)想

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俄美積極攻關(guān)

俄羅斯和美國(guó)都在研制太空電梯。其基本思路是一樣的，不同的是俄羅斯的太空電梯首先考慮的是如何從太空往地球運(yùn)回物資，而美國(guó)提出的太空電梯的重點(diǎn)是從地面向太空運(yùn)送物資。

俄羅斯擬在月球表面建立永久性基地，然后用太空電梯將貨物運(yùn)至月球基地或者運(yùn)回地球。盡管這種太空電梯的運(yùn)行速度非常緩慢，但卻可以大幅降低人類(lèi)進(jìn)行太空探測(cè)的費(fèi)用。俄羅斯設(shè)計(jì)的太空電梯由人造衛(wèi)星、宇宙飛船、有效載荷艙以及細(xì)長(zhǎng)堅(jiān)韌的特種索道組成。

歐洲航天局曾委托俄羅斯建造一部可以把太空物資直接從“國(guó)際空間站”運(yùn)回地球的太空電梯。具體方案是：裝有貨物的太空艙從“國(guó)際空間站”通過(guò)一根大約400千米長(zhǎng)的纜繩送回地球。雖然纜繩很長(zhǎng)，但其重量不會(huì)超過(guò)6千克，是用特別材料制成的。進(jìn)入大氣層后，纜繩會(huì)燃燒掉，之后，貨物依靠自帶的氣球繼續(xù)落向地球。但由于資金等原因,這一項(xiàng)目現(xiàn)已被擱置。

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從海上通天的太空電梯

美國(guó)西雅圖高電梯系統(tǒng)公司的太空電梯項(xiàng)正在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研發(fā)。其核心部分是研制一條距離地球表面將近10萬(wàn)千米長(zhǎng)的纜繩。其靠近地球的一端將被固定在可能位于太平洋中部某個(gè)地方的基站，而另一端將連接到一個(gè)在太空中繞地球靜止軌道運(yùn)行的物體上以充當(dāng)平衡錘，它本身所具備的動(dòng)力將能夠使纜繩繃緊，從而使飛行器等運(yùn)載工具能夠上下穿梭。

在俄美設(shè)計(jì)的太空電梯中，太空電梯的吊索是一條可兩面使用的軌道，其周?chē)艿溃娞菘山柚艖腋〖夹g(shù)在管道內(nèi)沿吊索的兩面上下對(duì)開(kāi)。

由于太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，所以目前建造太空電梯的最大障礙是纜索的建造，它需要用又強(qiáng)又輕的材料制成，并能夠經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來(lái)的任何物體的撞擊。為此，太空電梯的概念提出后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，它被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴还苡枚嗝磮?jiān)固的材料制造纜索，都承受不了太空電梯的重量而發(fā)生斷裂。

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日本太空電梯繩索試驗(yàn)設(shè)備

1990年，美國(guó)科學(xué)家想到了使用像鉆石一樣強(qiáng)韌但又高彈的納米碳管。其初步設(shè)想是：支撐太空電梯的纜繩是一束由10億條、 長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)千米的納米碳管制成，每條納米碳管含有7.2×1017個(gè)碳原子。

從理論上講，1米寬、如紙般薄的納米管織物便足以負(fù)載太空電梯了?？茖W(xué)家認(rèn)為，用碳納米管制成纜索可以從近地衛(wèi)星（甚至月球）懸掛到地面，不會(huì)因自重而斷裂，可以用來(lái)為太空太陽(yáng)能電站向地面輸電，或制作太空電梯。

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日本雄心勃勃

1991年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的碳納米管，此后太空電梯這一概念又有可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，因?yàn)樘技{米管的強(qiáng)度是鋼材的幾十到近百倍。

日本計(jì)劃從距離地球赤道地面36000千米的地球靜止軌道衛(wèi)星上垂下一條納米材質(zhì)的電纜，利用這條電纜，再安裝升降電梯，便可以制成太空電梯了。

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日本研制的碳納米管

目前，日本在碳納米管的開(kāi)發(fā)方面已取得一定進(jìn)展。上文提到的日本科學(xué)家在1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管，就是日本名古屋名城大學(xué)的飯島澄男用通電的碳煤煙研制出來(lái)的，這是一種名為巴基球的特殊原子結(jié)構(gòu)。在研究過(guò)程中，飯島澄男發(fā)現(xiàn)，各種材料當(dāng)它的尺度達(dá)到納米級(jí)時(shí)，它的物理特性如電、磁、熱、強(qiáng)度等都會(huì)發(fā)生很大的變化。碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，直徑只有幾到幾十納米，內(nèi)部是空的。這樣的材料很輕，但很結(jié)實(shí)，密度是鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的近百倍。也就是說(shuō)，一根像縫衣線大小的碳納米管就能承受一輛汽車(chē)的重力。

日本大林建設(shè)公司計(jì)劃在2050建成的太空電梯，該太空電梯由6個(gè)長(zhǎng)18米，直徑7.2米的橢圓柱形電梯間組成，時(shí)速約200千米，每次可運(yùn)送旅客30位。該項(xiàng)目拉動(dòng)電梯的纜索就將采用比鋼堅(jiān)固20多倍的碳納米管材料。電梯纜線固定在地表一個(gè)定點(diǎn)上，然后利用地球自轉(zhuǎn)的離心力拋出去，另一頭系著一個(gè)起平衡作用的鉛墜。太空電梯電纜的中間部位是一個(gè)空間站，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住的空間。

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日本設(shè)想的太空電梯

其實(shí)，為了取得平衡，避免在地球靜止軌道上的空間站因太空電梯太重被拉回地面，保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在空間站的上面還要裝另外一條纜索懸浮在太空中以起平衡作用，從而緩解太空電梯承受的地球引力，即空間站位于電梯纜索的中間部位，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住的空間。這樣，纜索的總長(zhǎng)度將達(dá)到9.6萬(wàn)千米。

機(jī)廂在向太空爬升過(guò)程中的動(dòng)力問(wèn)題是巨大的挑戰(zhàn)。日本擬采用新干線列車(chē)技術(shù)來(lái)解決太空電梯進(jìn)入太空的動(dòng)力問(wèn)題。日本太空升降艙協(xié)會(huì)有關(guān)負(fù)責(zé)人甚至不無(wú)樂(lè)觀地說(shuō)，希望未來(lái)就像出國(guó)旅行一樣，人人都可以坐著太空電梯上太空。預(yù)計(jì)，日本的太空電梯工程總建設(shè)費(fèi)用至少達(dá)到1萬(wàn)億日元。

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學(xué)生設(shè)計(jì)的太空電梯概念圖

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月球太空電梯

美國(guó)科學(xué)家皮爾遜曾制定過(guò)一個(gè)月球太空電梯方案:在運(yùn)行于月球同步軌道上的衛(wèi)星和月球表面間建立一個(gè)“升降機(jī)”，“升降機(jī)”由人造復(fù)合纖維纜繩拴住，衛(wèi)星則好像飛翔在太空中的風(fēng)箏。皮爾遜認(rèn)為這一設(shè)想在理論上是可行的，因?yàn)樵虑蛞χ挥械厍虻?/6，依靠目前科技水平制造的合成纖維纜繩已經(jīng)足夠滿足承擔(dān)運(yùn)輸工作的強(qiáng)度要求。與此同時(shí)，在月球周?chē)膊淮嬖趶U棄的火箭推進(jìn)器、衛(wèi)星以及其它太空垃圾所帶來(lái)的危險(xiǎn)，又使這一計(jì)劃免除一項(xiàng)后顧之憂。

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在這張從太空俯瞰地球的構(gòu)想圖上，人類(lèi)可以乘坐太陽(yáng)能（或電磁）交通工具沿著太空電梯出入天庭。

他描述了一幅美妙的月球太空電梯圖畫(huà)：滿載物資和補(bǔ)給的纜車(chē)順著微微彎曲的月球太空電梯纜繩從天際中垂直落下，降落在月球的某一地點(diǎn)，地球探險(xiǎn)者可以輕松到達(dá)月球表面任何角落，尋找地下的固態(tài)水。

也許有人會(huì)覺(jué)得皮爾遜的想法過(guò)于瘋狂，但美國(guó)航空航天局的先進(jìn)概念研究所卻不這么認(rèn)為。這家獨(dú)立機(jī)構(gòu)在2004年就資助皮爾遜7.5萬(wàn)美元用于設(shè)計(jì)其月球太空電梯。

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乘太空電梯登天

2014年，由美國(guó)航空航天局前工程師邁克爾?萊恩創(chuàng)辦的電梯港集團(tuán)公司宣稱(chēng)，由于在月球上建太空電梯比在地球上建更容易，所以該公司可用現(xiàn)有技術(shù)在月球上建造一座太空電梯，并表示這一想法能在較快成為現(xiàn)實(shí)。其具體設(shè)想是：從月球上空5萬(wàn)千米處垂向月球表面的月球太空電梯，因?yàn)樵虑虻囊π?，并且月球上基本沒(méi)有空氣，所以可以大大降低對(duì)纜繩強(qiáng)度的要求，只需使用一種名叫柴?。╖ylon）的高強(qiáng)度、高耐熱性復(fù)合纖維，就能實(shí)現(xiàn)打造月球太空電梯的夢(mèng)想。

從理論上講，制造月球太空電梯的材料會(huì)比制造地球太空電梯要輕許多，其纜繩的一端固定在月球表面某個(gè)面朝地球的地點(diǎn)。不過(guò)，月球太空電梯較小，只能運(yùn)輸200～250千克的貨物。如果用它來(lái)采集和運(yùn)輸月球礦石標(biāo)本，則完全足夠，這也將使月球采礦和運(yùn)回地球的成本大大降低。

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太空電梯方案之一

建成后的月球太空電梯還可以與地球太空電梯連成一體，將來(lái)有一天，人類(lèi)只需經(jīng)過(guò)幾次換乘，就可以乘坐太空電梯從地球抵達(dá)月球了。

近年，又有一種新的太空電梯方案問(wèn)世——可充氣太空電梯。根據(jù)設(shè)計(jì)和建造方案，該太空電梯將高約20千米。未來(lái)，航天員和運(yùn)載火箭可先搭乘可充氣太空電梯進(jìn)入位于平流層的電梯頂端發(fā)射平臺(tái)，然后再點(diǎn)火起飛進(jìn)入太空。它相當(dāng)于運(yùn)載器的第一級(jí)平臺(tái)，而且航天器還可以返回塔頂平臺(tái)加油再重新起飛。這一技術(shù)有望為傳統(tǒng)火箭節(jié)約30%以上的燃料。

長(zhǎng)期以來(lái)，工程師們一直認(rèn)為太空電梯研制難度太大，因?yàn)闆](méi)有任何物質(zhì)能夠支撐自己達(dá)到太空的高度。然而這種最新解決方案繞開(kāi)了這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，只需將太空電梯建造到高達(dá)20千米的平流層。太空電梯建造到平流層總比直達(dá)地球靜止軌道高度要容易、可行得多。

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工程困難重重

目前，研制太空電梯最大的挑戰(zhàn)是能否以低成本、大規(guī)模生產(chǎn)出碳納米管纖維材料，因?yàn)檫@種材料現(xiàn)在還只是毫米級(jí)制品，距實(shí)用差距甚遠(yuǎn)。從理論上說(shuō)，如果用碳納米管纖維材料造出直徑1毫米的碳納米繩，該納米繩就可以承載60噸的重量。迄今為止，科學(xué)家仍然無(wú)法用碳納米管編織出長(zhǎng)長(zhǎng)的纜繩。此外，每克碳納米管就價(jià)值500美元，要制造出一條10萬(wàn)千米長(zhǎng)的碳納米纜繩就十分昂貴了。

另外，向太空發(fā)射各種電梯建設(shè)材料花費(fèi)巨大，且如果太空電梯因嚴(yán)重事故崩塌，空中和地面的損失也將十分驚人。

還有，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)向太空電梯施加壓力時(shí)，來(lái)自月球和太陽(yáng)的重力作用將使繩索變得搖擺不定。這將有可能使太空電梯搖擺造成太空交通障礙，太空電梯也可能會(huì)碰撞上人造衛(wèi)星或者太空垃圾殘骸，這樣的碰撞將導(dǎo)致繩索斷裂或太空電梯失事。為此，太空電梯必須在內(nèi)部建造推進(jìn)器，以穩(wěn)定太空電梯致命的搖擺振動(dòng)，但這又將增加了建造的難度和電梯建造和維護(hù)成本。也有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，地球磁場(chǎng)可以自然地削弱太空電梯的搖擺振動(dòng)，用活動(dòng)錨也可控制繩索搖擺。

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太空電梯的基站可以建在海上。

再者，在地球外層、距離地面1000～20000千米的區(qū)域，分布著一條強(qiáng)度很高的輻射帶，而在穿越該區(qū)域的過(guò)程中，航天員們可能會(huì)受到致命的輻射。如果缺乏有效的防護(hù)措施，乘坐太空電梯的乘客將會(huì)受到高強(qiáng)度射線的照射。此前，對(duì)于從事高軌道航天飛行的航天員們來(lái)說(shuō)，分布在地球外部的輻射層已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。當(dāng)年參加“阿波羅”計(jì)劃的航天員們?cè)┰竭@一地區(qū)。由于當(dāng)時(shí)飛船的速度很快，因此他們受到射線照射的時(shí)間很短，計(jì)量也不足以致命。然而，太空電梯的爬升速度卻要慢很多——不會(huì)超過(guò)200千米/小時(shí)。這就意味著，搭乘太空電梯的航天員必須在輻射區(qū)中呆上至少3天的時(shí)間。對(duì)此，雖然科學(xué)家們已提出了多種解決方案，但任何一種都存在著這樣或那樣的缺陷。

有一種解決方案是在太空電梯外部建造一個(gè)防護(hù)層。但這會(huì)是太空電梯變得異常笨重和復(fù)雜，難以克服地球引力的影響。

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太空電梯會(huì)受到太空垃圾的襲擊

另一種解決方案是將起始平臺(tái)設(shè)在遠(yuǎn)離赤道的地區(qū)，這樣輻射帶的強(qiáng)度就不會(huì)太過(guò)強(qiáng)烈。但專(zhuān)家們認(rèn)為，即使這樣，仍無(wú)法確保航天員不會(huì)受到致命劑量輻射的傷害。況且，如果太空電梯的起始點(diǎn)太靠近北緯45°地區(qū)，那么地球旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將會(huì)使固定太空電梯的纜繩偏向南方，同時(shí)，它還會(huì)受到各種惡劣天氣條件的影響。

還有科學(xué)家提出可在太空電梯周?chē)鷺?gòu)建一層人造磁場(chǎng)。通過(guò)這種方式將可有效抵御各種危險(xiǎn)的射線。但此舉會(huì)嚴(yán)重削弱太空電梯的升力，導(dǎo)致向太空運(yùn)送物資和人員的能量消耗大幅度增加。

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科幻片中太空電梯基座

太空電梯還會(huì)面臨許多安全問(wèn)題需要解決。例如，雷擊、流星、太空碎片、颶風(fēng)、原子氧等，其中有的已經(jīng)有對(duì)策了。例如，有兩種辦法可使太空電梯免遭雷擊：其一是將太空電梯的基座選在地球上的無(wú)雷區(qū)，因?yàn)榈厍蛏嫌行┑貐^(qū)常年無(wú)雷；其二是將太空電梯的基座建在6000米高的山頂上，因?yàn)樵诖烁叨纫话愫苌侔l(fā)生閃電。對(duì)付太空碎片的辦法是：對(duì)太空垃圾進(jìn)行密切的跟蹤和監(jiān)視；采用移動(dòng)基站，使纜索避開(kāi)太空垃圾的撞擊；在500～1700千米這一段增加纜索的厚度。對(duì)付颶風(fēng)的辦法是將基座建在沒(méi)有颶風(fēng)的區(qū)域，或者增加纜索的強(qiáng)度。

另外，由于建造太空電梯所用的碳納米繩技術(shù)過(guò)難，成本過(guò)高，所以地球太空電梯至今仍停留在美好的藍(lán)圖階段，但月球太空電梯有可能先問(wèn)世。如果地球太空電梯取得突破性進(jìn)展，人類(lèi)就將走進(jìn)大眾太空旅游的新時(shí)代。

SAIXIANSHENG

結(jié)語(yǔ)

目前，碳納米管和超強(qiáng)石墨烯被認(rèn)為是建造太空電梯纜繩的理想材料；在設(shè)計(jì)方面，科學(xué)家目前已提出8個(gè)比較穩(wěn)健、合理的科學(xué)設(shè)計(jì)方案；在工程方面，一些國(guó)家的科學(xué)家已開(kāi)展一些小型實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)備深入驗(yàn)證。我國(guó)清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)曾成功制備出世界上最長(zhǎng)的、單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。相關(guān)內(nèi)容近日在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》上。

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藝術(shù)家筆下通往天堂的太空電梯

國(guó)際太空電梯聯(lián)盟主席斯旺在2021年11月介紹：根據(jù)目前設(shè)計(jì)，太空電梯攀爬速度約為每小時(shí)200千米。未來(lái)，隨著纜繩加長(zhǎng)、轎廂攀爬速度加快，預(yù)計(jì)8天可到達(dá)地球同步軌道，14天可到達(dá)月球，61天可到達(dá)火星。斯旺認(rèn)為，未來(lái)人類(lèi)建火星村、月球村需要發(fā)射大量物資到太空，星際旅行也備受期待，太空電梯非常具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。太空電梯用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，不像發(fā)射火箭那樣消耗大量化學(xué)燃料，而且太空電梯產(chǎn)生空間碎片的可能性很小，是一條綠色天路。

國(guó)際太空電梯聯(lián)盟副主席萊特稱(chēng)，火箭發(fā)射不會(huì)因此被拋棄，因?yàn)榛鸺忍针娞菟俣雀欤苎杆俅┰捷椛鋷?，已?jīng)有人提出以“太空電梯+火箭”的方式運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

根據(jù)目前的科技水平和發(fā)展速度看，有人預(yù)計(jì)太空電梯將在2050—2100年投入業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。

參考資料：

為什么太空電梯是矩形狀的

太空電梯是一種獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)以矩形形狀為基本構(gòu)造元素，以適應(yīng)太空空間場(chǎng)景的特殊性，且其穩(wěn)定性更多。此外，太空電梯的結(jié)構(gòu)也有利于傳輸、安全性及易操作性。

美國(guó)“天梯”工程將于多久完工？

差不多要10年　 添加新圖片天梯，又譯空間電梯，是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運(yùn)輸?shù)娇臻g的解決方案。這個(gè)方案旨在建造一部稱(chēng)作天梯的運(yùn)輸工具。 對(duì)于建造在地球上的天梯，平衡錘需要位于距離地面至少3.6萬(wàn)千米上空，使用3.6萬(wàn)千米長(zhǎng)的纜繩與地面連接。這種纜繩必須十分結(jié)實(shí)，目前已經(jīng)的材料中，只有碳納米管可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質(zhì)心位于地球同步軌道的高度，同時(shí)為了保證整個(gè)裝置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同時(shí)應(yīng)該盡量選擇商業(yè)飛行較少的區(qū)域，以避免飛機(jī)與纜繩或貨艙相撞，同時(shí)纜繩和貨艙還必須能夠抵御來(lái)自風(fēng)和閃電的襲擊。對(duì)于建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因?yàn)樵虑蛑亓^小，且沒(méi)有大氣因素影響，自轉(zhuǎn)速度較慢，且為同步自轉(zhuǎn)。這種條件下，平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點(diǎn)，即月球的拉格朗日點(diǎn)上。天梯的概念最初出現(xiàn)在1895年，但是甚至就在幾年前，它還僅僅只是一種科學(xué)幻想，因?yàn)檎也坏揭环N合適的材料來(lái)制造足夠強(qiáng)度的纜繩。隨著近年納米技術(shù)取得的突破性進(jìn)展，建造一部現(xiàn)實(shí)的天梯已經(jīng)成為可能，預(yù)計(jì)其建造成本約100億美元，遠(yuǎn)少于超過(guò)國(guó)際空間站或航天飛機(jī)計(jì)劃的投資。 組成 平衡錘：平衡錘是一個(gè)比較重的物體，放置于同步軌道上方。 纜繩：纜繩是一條十分長(zhǎng)且結(jié)實(shí)的繩子，上粗下細(xì)，用于連接地面與平衡錘。 貨艙：貨艙用于裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和地面之間上下移動(dòng)。 地面基站：地面基站用于將纜繩固定在地面上，并為貨艙的移動(dòng)提供能源，能量通過(guò)激光傳送到貨艙。 核心部件 天梯概念藝術(shù)圖天梯的核心部件將是碳納米管合成纜繩，它只有幾厘米寬，幾乎只有一張紙那么厚。碳納米管發(fā)現(xiàn)于1991年，它的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認(rèn)為天梯是能夠建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·愛(ài)德華茲（Bradley Edwards）博士稱(chēng)，“以前，找到合適的材料難度太大了。但現(xiàn)在，我們離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)越來(lái)越近，因?yàn)樵谥圃焯技{米管和有效的拉絲機(jī)方面都取得了進(jìn)展，這種拉絲機(jī)能將制作伸向太空的纜繩所需的材料拉得足夠長(zhǎng)?！?碳納米管在強(qiáng)度上可能會(huì)比鋼高100倍，但卻像塑料一樣柔韌。碳納米管之所以會(huì)有如此高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗鼈兙哂蓄?lèi)似于足球的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。一旦科學(xué)家們能夠用碳納米管制成纖維，那么就有可能制作出形成天梯纜繩所需的細(xì)絲。以前考慮的材料要么是強(qiáng)度不夠，要么是不夠柔韌，無(wú)法制成纜繩，而且易斷。 太空電梯公司的研究主管湯姆·紐金特（Tom Nugent）說(shuō)，“這種材料具有非常高的彈性模量，并且它們的抗張強(qiáng)度也非常高，而且，理論上使天梯相對(duì)容易建造的所有材料特性，這種材料都具備了。” 有兩種方法可以制作纜繩： 用數(shù)米或更長(zhǎng)的長(zhǎng)碳納米管編成類(lèi)似繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長(zhǎng)的納米管也只有幾厘米長(zhǎng)。 可以將較短的納米管置入到聚合物基中。目前的聚合物與碳納米管之間結(jié)合得不夠緊密，因而在拉緊時(shí)會(huì)將基質(zhì)拉離碳納米管。 一旦制作出長(zhǎng)碳納米管纜繩，就會(huì)將它纏成一個(gè)軸狀物發(fā)射到軌道中。當(dāng)太空船載著這個(gè)軸狀物飛至特定高度（可能是近地軌道）時(shí)，它就會(huì)開(kāi)始將這個(gè)軸狀物散開(kāi)，使纜繩落回到地球上。同時(shí)，這個(gè)軸狀物會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)到更高的高度。當(dāng)纜繩落入地球的大氣層時(shí)，就會(huì)有相應(yīng)的裝置捕捉到它并使它繼續(xù)下落，最后將它錨定到海洋中的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上。這條纜繩有點(diǎn)像鐵軌，將用作進(jìn)入太空的航線。這樣，就可以用機(jī)械升降機(jī)順著這條纜繩上升到太空中。 使用 升降機(jī)盡管纜繩仍是一個(gè)處在概念階段的部件，但天梯的所有其他部件均可以利用現(xiàn)有的技術(shù)制造出來(lái)，這些部件包括機(jī)械升降機(jī)、錨站和光束動(dòng)力系統(tǒng)。到纜繩制造出來(lái)時(shí)，其他部件也差不多都準(zhǔn)備好了，在2018年左右即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射。 升降機(jī) 機(jī)械升降機(jī)將順著纜繩升入太空。升降機(jī)上的滾輪夾緊纜繩，滾輪胎面與纜繩之間的摩擦力往下拉繩索，這樣，摩擦力產(chǎn)生的反作用就會(huì)使升降機(jī)得以順著天梯向上攀爬。 錨站 錨定平臺(tái)天梯的下端將連在赤道附近的太平洋海域中的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，該平臺(tái)將纜繩錨定在地球上。 平衡站 纜繩的最頂端將有一個(gè)很重的平衡站。在早期的天梯計(jì)劃中，曾考慮捕捉一顆小行星并將它用作平衡站。但是，在太空電梯公司和科學(xué)研究所（ISR）最近關(guān)于天梯的計(jì)劃中，多數(shù)還是考慮使用人造平衡站。實(shí)際上，可以將用來(lái)制造纜繩的設(shè)備（包括用來(lái)發(fā)射纜繩的太空船）組裝成平衡站。 動(dòng)力光束 升降機(jī)將利用位于錨站或錨站附近的自由電子激光系統(tǒng)來(lái)提供動(dòng)力。ISR稱(chēng)，這種激光會(huì)將2.4兆瓦特的能量傳送給附著在升降機(jī)上的光電池，這種光電池可能由砷化鎵（GaAs）制成，然后光電池可以將這些能量轉(zhuǎn)化成電能以供傳統(tǒng)的鈮磁直流電電動(dòng)機(jī)使用。 一旦投入使用，升降機(jī)幾乎每天都可以在天梯上往返運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)的大小各異，最初為5噸，最大可達(dá)20噸。20噸重的升降機(jī)的有效載荷可達(dá)13噸，其內(nèi)部有900立方米的空間。升降機(jī)將以約190公里/小時(shí)的速度順著纜繩向上運(yùn)載貨物，所運(yùn)貨物從人造衛(wèi)星到太陽(yáng)能電池板，五花八門(mén)，最后它還將載人上天。 保持正常運(yùn)轉(zhuǎn) 位于100,000公里的高空中時(shí)，天梯將很容易遭到包括天氣、空間碎片和恐怖分子在內(nèi)的許多危險(xiǎn)因素的破壞。隨著天梯從計(jì)劃階段走向設(shè)計(jì)階段，開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始考慮這些危險(xiǎn)因素及相應(yīng)的克服辦法。實(shí)際上，為了確保始終都有可以使用的天梯，開(kāi)發(fā)人員計(jì)劃建造多個(gè)天梯。從第一個(gè)天梯開(kāi)始，后續(xù)天梯的建造成本將依次遞減。第一個(gè)天梯將用作其他天梯的建造平臺(tái)。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)這樣做來(lái)確保在某一個(gè)天梯遇到問(wèn)題的情況下，其他天梯仍能繼續(xù)向太空運(yùn)送人員和物資。 避開(kāi)空間碎片 與空間站或宇宙飛船一樣，天梯將需要具備避開(kāi)碎片、人造衛(wèi)星等軌道物體的能力。錨定平臺(tái)將采取主動(dòng)回避措施來(lái)保護(hù)天梯免遭此類(lèi)物體的破壞。目前，北美防空司令部（NORAD）所跟蹤物體的大小都在10厘米以上。保護(hù)天梯需要配備軌道碎片跟蹤系統(tǒng)，它能夠探測(cè)到大小為1厘米左右的物體。目前正在為其他空間計(jì)劃開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。 “我們的計(jì)劃是將纜繩錨定到海洋中的一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，”太空電梯公司的湯姆·紐金特（Tom Nugent）說(shuō)，“實(shí)際上你可以來(lái)回移動(dòng)錨定點(diǎn)的位置，從而將纜繩拉離人造衛(wèi)星的航道?！?防御攻擊 將天梯置于偏遠(yuǎn)位置將是降低恐怖分子攻擊風(fēng)險(xiǎn)的最佳方法。舉例來(lái)說(shuō)，第一個(gè)錨定點(diǎn)將位于赤道附近的太平洋海域，與任何空中航線或海洋航線的距離至少為650公里，這是太空電梯公司透露的信息。任何攻擊都只能威脅到天梯的一小部分裝置，即15公里處及以下的所有裝置。此外，天梯將是十分寶貴的全球資源，可能會(huì)受到美國(guó)及其他國(guó)家/地區(qū)軍隊(duì)的保護(hù)。 研究進(jìn)展 太陽(yáng)景觀的概念藝術(shù)圖天梯對(duì)全球帶來(lái)的潛在影響力堪與另一項(xiàng)偉大的運(yùn)輸成就美國(guó)洲際鐵路相媲美。這條洲際鐵路于1869年在美國(guó)猶他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次連通了美國(guó)的東海岸和西海岸，加快了美國(guó)西進(jìn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)程。這條鐵路建成后，橫貫全美的旅行只需幾天就可以完成，而在此之前則需數(shù)月。它還開(kāi)拓了新的市場(chǎng)，諸多全新的產(chǎn)業(yè)皆因它而興起。到1893年，美國(guó)已建成五條洲際鐵路。 天梯這一想法與洲際鐵路有許多相通之處。天梯將開(kāi)創(chuàng)地球與太空之間永恒的連通之門(mén)，這道門(mén)永遠(yuǎn)都不會(huì)關(guān)閉。雖然它不會(huì)加快太空之行的速度，卻能使太空與地球之間的往來(lái)更為頻繁，并將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)代。天梯的建成將大大降低向太空運(yùn)送貨物的成本，或許這就是促成天梯這一想法的最大動(dòng)力。盡管天梯的升降機(jī)比采用化學(xué)推進(jìn)的宇宙飛船慢，但這種升降機(jī)卻將每公斤的發(fā)射成本從22000到44000美元降到900美元左右。 據(jù)“天梯——NIAC第二階段最終研究報(bào)告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·愛(ài)德華茲透露，目前估算的天梯建造成本為60億美元，法律法規(guī)方面的費(fèi)用為40億美元（愛(ài)德華茲就是布拉德利·卡爾·愛(ài)德華茲博士，他是“碳設(shè)計(jì)”（Carbon Designs）公司的總裁和創(chuàng)始人。）。相比之下，1971年預(yù)測(cè)的宇宙飛船計(jì)劃的成本為52億美元，但最終卻耗費(fèi)了195億美元。此外，宇宙飛船每飛行一次都要耗費(fèi)5億美元，這一數(shù)字超過(guò)當(dāng)初估算的50多倍。 天梯可能會(huì)取代宇宙飛船成為主要的航天器，并將用于人造衛(wèi)星部署、國(guó)防、旅游和其他開(kāi)發(fā)。再往后，太空船將順著天梯的纜繩攀升至太空中，然后再朝向其主目標(biāo)發(fā)射。這種發(fā)射方式所需的燃料更少，因?yàn)樗∠铝瞬捎脗鹘y(tǒng)方式發(fā)射時(shí)沖出地球大氣層所需要的部分燃料。有些設(shè)計(jì)人員還認(rèn)為，天梯可以建在包括火星在內(nèi)的其他行星上。 NASA曾資助愛(ài)德華茲博士的研究長(zhǎng)達(dá)三年。但在2005年，它僅給研究天梯的各家公司提供了2800萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。盡管它仍然非常關(guān)注這一計(jì)劃，但眼下它更愿意靜觀其變，等待出現(xiàn)更為實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

你們說(shuō)，太空電梯在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)嗎？

在上個(gè)世紀(jì)，人類(lèi)做了一些相當(dāng)了不起的事情。萊特兄弟在1903年發(fā)明了第一架飛機(jī)之后，我們僅用了66年的時(shí)間就將一個(gè)人送上了月球。我們的工程和科學(xué)能力顯然令人驚嘆，但也許是時(shí)候讓我們來(lái)看看超越以往任何想象的挑戰(zhàn)了……也許現(xiàn)在是時(shí)候建造太空電梯了。

什么是太空電梯呢？

太空電梯的概念最早是由康斯坦丁·齊洛夫斯基（Konstantin Tsiolovsky）于1895年提出的，他是同一位紳士，他提出了著名的“火箭方程式”，將火箭送入太空（從根本上說(shuō)，他對(duì)太空事業(yè)的貢獻(xiàn)是巨大的）。

齊奧洛夫斯基的太空電梯概念是受埃菲爾鐵塔啟發(fā)的，埃菲爾鐵塔大約在同一時(shí)間建造。

他想知道人類(lèi)是否可以建造一座足夠高的塔，塔的頂端可以延伸到太空中很遠(yuǎn)的地方，這樣我們就可以不用發(fā)射火箭到達(dá)那里，而只需跳上這座高得離譜的建筑上的電梯，越過(guò)重力的屏障到達(dá)恒星！

目前，世界上最高的建筑是迪拜的哈利法塔，高達(dá)829.8米（2722英尺）。它保持著人類(lèi)創(chuàng)造的最高建筑的紀(jì)錄，超過(guò)了此前華沙無(wú)線電桅桿646.38米（2120.7英尺）的紀(jì)錄，后者在建造過(guò)程中實(shí)際倒塌?？尚械奶针娞荼仨氈辽俑哌_(dá)35,786公里（22,236英里），這是物體到達(dá)地球靜止軌道的高度。相比之下，如果哈利法塔只有一個(gè)咖啡杯的高度（8.25厘米），那么太空電梯的高度將是3.56公里—比哈利法塔實(shí)際高度的4.3倍還要高！

哈利法塔，圖片來(lái)源：mafengwo

對(duì)地靜止軌道是從地球表面到赤道的高度，物體完成一個(gè)軌道所花費(fèi)的時(shí)間與地球的旋轉(zhuǎn)周期相同，即一天。從本質(zhì)上講，這意味著，如果您乘坐的航天器在地球靜止軌道上，就在地球某個(gè)點(diǎn)的正上方（比方說(shuō)，印度尼西亞的坤甸就在赤道上），那么您永遠(yuǎn)都不會(huì)相對(duì)于該點(diǎn)移動(dòng)。因此，如果您向下看，這座城市將始終保持在您下方，如果您在軌道上，該城市將永遠(yuǎn)不會(huì)相對(duì)于您移動(dòng)。

太空電梯應(yīng)該由什么來(lái)制作呢？

記住，36000公里（達(dá)到地球靜止軌道）是我們需要達(dá)到的最低高度，太空電梯才能正常工作。然而，質(zhì)量中心必須在地球靜止軌道高度；再低一點(diǎn)，系統(tǒng)就會(huì)變得不穩(wěn)定。理想情況下，太空電梯的高度約為100000公里（62000英里）。想一想……我們說(shuō)的覆蓋距離實(shí)際上是到月球距離的三分之一！在這段距離內(nèi)，我們將不得不開(kāi)始建造太空中的大部分電梯，還有幾艘大型宇宙飛船和數(shù)千人在零重力下建造這座塔。

請(qǐng)記住，36,000公里（到達(dá)對(duì)地靜止軌道）是我們使太空電梯正常運(yùn)行所需的最低高度。

但是，質(zhì)心必須在對(duì)地靜止軌道高度上；稍微低一點(diǎn)點(diǎn)，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。理想情況下，太空電梯的高度約為100,000公里（62,000英里）。想一想……我們正在討論的距離實(shí)際上是距月球距離的1/3！在這樣的距離下，我們將不得不開(kāi)始在太空中建造大部分的電梯，這依靠著幾艘大型太空飛船和成千上萬(wàn)的人在零重力下建造塔的努力。

另一種方法是將一個(gè)巨大的色帶線軸發(fā)射到對(duì)地靜止軌道上，然后將其向下放到地球上，而另一個(gè)線軸被向上釋放（遠(yuǎn)離地球）以抵消力并停留在軌道上。最初的飛船將停留在對(duì)地靜止軌道上，并有長(zhǎng)電纜沿兩個(gè)方向延伸。這個(gè)想法看起來(lái)像是科幻小說(shuō)中的東西，它似乎也確實(shí)是這樣。這項(xiàng)工作所需的工程和材料技術(shù)比我們目前的能力要先進(jìn)得多。

太空升降機(jī)需要極高的抗拉強(qiáng)度，才能抵消將這個(gè)巨大的100,000公里結(jié)構(gòu)拉下的重力以及將其拉動(dòng)的配重的離心力和慣性（我們一會(huì)兒就會(huì)了解到）向上。它需要在極端高溫和低溫，來(lái)自大氣的不可預(yù)測(cè)的力以及來(lái)自外層空間的輻射中保持穩(wěn)定并發(fā)揮功能。最重要的是，它必須在不斷撞擊的微小隕石和太陽(yáng)風(fēng)粒子中存活下來(lái)。是否確實(shí)存在滿足所有這些要求的物質(zhì)？我們認(rèn)為碳納米管可能是答案。

碳納米管

碳納米管是納米工程的圓柱形碳結(jié)構(gòu)；自然界中，我們無(wú)法找到它們，而且它們很難制造。它們是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)硬、最堅(jiān)固的物質(zhì)，而且具有很高的抗拉強(qiáng)度，這正是我們需要的那種太空電梯材料。它們也具有導(dǎo)電性，因此我們無(wú)需鋪設(shè)額外的電線即可為攀登者或電梯供電。

然而，即使碳納米管電纜有著巨大的強(qiáng)度，碳納米管電纜也只能在破碎前支撐其自重約5000至7000 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太空電梯所需的100,000 km。話雖這么說(shuō)，技術(shù)的進(jìn)步最終可能使我們達(dá)到可行的階段，以生產(chǎn)出正確的材料或操縱我們已經(jīng)擁有的材料。

配重

太空電梯的頂部也將需要配重。換句話說(shuō)，電梯必須被固定在非常重的物體上，就像它被固定在地底一樣。你建造的電梯越高，這個(gè)配重就需要越輕，以抵消你增加到電纜本身的額外質(zhì)量。配重是確保地球靜止軌道高度以上的質(zhì)量與其以下的質(zhì)量大致相同所必需的；因此，向上拉動(dòng)系統(tǒng)的離心力等于向下拉動(dòng)系統(tǒng)的重力。

如果我們建造最小高度為35,786公里（22,236英里）的太空電梯，則配重將需要很大，像月球大小的三分之一那么大。一種方法是捕獲一顆小行星，并將其帶入環(huán)繞地球的軌道，這時(shí)我們可以建造通往它的電梯。如果大約在6500萬(wàn)年前有偉大的人類(lèi)工程師，那么消滅恐龍的小行星也許可以用來(lái)建造太空電梯……

如果您的電梯高度超過(guò)50,000公里，它的頂端會(huì)繞著地球快速移動(dòng)，達(dá)到所謂的逃逸速度，即你將飛出繞地球軌道的速度。在那一點(diǎn)上，你可以簡(jiǎn)單地跳出電梯到達(dá)月球，盡管你的軌道計(jì)算必須非常精確才能避免漂浮到太空之中。如果恒星（或行星）對(duì)齊，那么使用延伸到100,00 km的電梯，您將有足夠的速度來(lái)計(jì)劃前往木星。

如果這么難，為什么要建造一個(gè)太空電梯呢？

所有這些問(wèn)題似乎收效甚微?？紤]到物理、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的限制，建造太空電梯幾乎是不可能的。再者，有必要嗎？我們已經(jīng)能夠把東西送上太空，國(guó)際空間站上也有人居?。ūM管他們?cè)诖蠹s450公里的近地軌道上，而不是100,000公里）。答案是成本。目前，將一磅（0.45公斤）的有效載荷送入環(huán)繞地球的軌道大約需要10,000美元；對(duì)于星際旅行，這筆費(fèi)用會(huì)高得多。建造太空電梯后，發(fā)送相同有效載荷的成本將在90美元左右，成本降低99%。

建造太空電梯將是人類(lèi)迄今為止最雄心勃勃的工程。這使得萊特兄弟的成就相比之下顯得微不足道，盡管意義不小。人類(lèi)似乎總是通過(guò)自己的工程能力找到超越自己的方法。我們總是在尋找下一個(gè)要克服的障礙，下一個(gè)要克服的挑戰(zhàn)。也許建造太空電梯需要的技術(shù)和人力是我們今天根本無(wú)法想象的，但不要忘記，150年前，飛行對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想。從這個(gè)角度看，真的不知道我們離建造100,000公里的太空電梯有多近！

太空電梯何時(shí)建成??？

地球太空站主要由太空電梯、A城B城C城、D城和E城等組成。

C城也叫太空工廠，位于太空電梯的中部，距地面35780公里，C城與太空電梯的連接是軟聯(lián)結(jié)。這里有太空加工廠、太空軸承廠、太陽(yáng)能發(fā)電站、飛船組裝中心，太空望遠(yuǎn)鏡和人造月亮等，各個(gè)單元之間相互連接，形成了一個(gè)以地球中心為球心的巨型球面。第一個(gè)太空電梯建成后20年內(nèi)，太空工廠將會(huì)達(dá)到面積200平方公里、重量250萬(wàn)噸，向地球輸送70GW（7千萬(wàn)千瓦）的電力；還將完成第一座10萬(wàn)平方米的太空城市的制造；還將建造另外二個(gè)太空電梯（以便進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力和提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力），還將完成一架月球太空站的建造。

A城：位于赤道附近的地面上，與一般的城市的主要區(qū)別是有：防空中心、防雷系統(tǒng)、托盤(pán)編組站和天梯指揮中心。A城也可能是一個(gè)可移動(dòng)的海上平臺(tái)。

太空電梯：由兩部分組成：吊天梯和甩天梯。太空工廠以下為“吊天梯”，以上稱(chēng)作“甩天梯”。

吊天梯：由導(dǎo)軌、中轉(zhuǎn)站、托盤(pán)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。其中導(dǎo)軌材料的研發(fā)成功是整個(gè)地球太空站成為可能。整個(gè)吊天梯的高度為35780公里，一端連接A城（在地面），另一端連接C城，導(dǎo)軌上分布著35個(gè)中轉(zhuǎn)站。吊天梯主要的功能是：將地面上的物資和人員送往C城，它是雙向的，返回的主要作用是使運(yùn)載托盤(pán)形成閉路循環(huán)，往復(fù)循環(huán)使用，同時(shí)也返回一些人員和“太空垃圾”等，是C城“發(fā)展壯大”的交通樞紐，遠(yuǎn)離地面的一些中轉(zhuǎn)站還可以用來(lái)發(fā)射不同高度要求的衛(wèi)星。托盤(pán)在天梯上的運(yùn)行采用超導(dǎo)磁懸浮，運(yùn)行速度1000kg/h，最大運(yùn)載能力240t/d。

甩天梯：也是由導(dǎo)軌和中轉(zhuǎn)站等組成。他的主要作用是“支撐”吊天梯的空中一端。它的長(zhǎng)度是74000公里，它的一端在C城位置與吊天梯相連，另一端與E城相連。它也是雙向的，但是他的運(yùn)輸量很小，它的每一個(gè)中轉(zhuǎn)站都能用來(lái)發(fā)射衛(wèi)星，其中一個(gè)中轉(zhuǎn)站叫“月球站”，其他還有“土星站”……“火星站”等等，同時(shí)這些中轉(zhuǎn)站還能用來(lái)回收太空衛(wèi)星。

月球站：在月球站發(fā)射的衛(wèi)星，可以直達(dá)月球的引力范圍，不再需要其他動(dòng)力火箭加速或提升，只需軌道調(diào)整即可，巧的是，從月球返回的衛(wèi)星，也剛好可以落在月球站。這與目前的火箭方式相比，發(fā)射一次的代價(jià)連零頭都用不了。另外，在這里發(fā)射或接受飛船，每天都有一次機(jī)會(huì)可以選擇，幾乎不受地面天氣的影響。

導(dǎo)軌的材料選用碳纖維，上面覆有供驅(qū)動(dòng)和固定用的電磁材料，總共有2.5×108kg（材料耗資約20億美金），截面的形狀和尺寸見(jiàn)圖，由于導(dǎo)軌上不同的高度位置所承受的拉力不同，所以不同的高度位置采用不同的厚度（等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在這里非常重要，否則優(yōu)質(zhì)碳纖維將無(wú)能承擔(dān)導(dǎo)軌材料這一重任）：吊天梯的導(dǎo)軌有7.1萬(wàn)噸，采用優(yōu)質(zhì)碳纖維，其工作拉應(yīng)力為15GPa，地面位置的厚度為0.08mm，承受180噸的拉力（空負(fù)荷時(shí)180噸，重負(fù)荷時(shí)40噸）；C城位置的厚度1.80mm，承受4100噸的拉力；甩天梯的導(dǎo)軌采用普通碳纖維（主要是對(duì)高溫和低溫性能要求很高），其工作拉應(yīng)力為7.5GPa，C城位置的厚度是3.65mm，承受4100噸的拉力；E城位置0.06mm，承受68噸的拉力；

B城和D城分別位于距離地面34000km和37700km，其重力加速度都是0.3m/s2，是地球的1/33。當(dāng)你站在人一個(gè)太空站上往“天上”看，都能透過(guò)太空工廠看到另一個(gè)太空城，所不同的是，其中一個(gè)還能看到一個(gè)巨大的星球在天空，那是……（廢話）。這兩個(gè)城集生活區(qū)、工作區(qū)和農(nóng)場(chǎng)為一體。

E城位于太空電梯的頂端，距離地面110000公里，質(zhì)量為1150噸，是整個(gè)地球太空站中最小的城市，其重力加速度為0.59m/s2，是地球表面的1/17。在這里發(fā)射的衛(wèi)星，速度可達(dá)8.4km/s（遠(yuǎn)大于2.6的宇宙第二速度，可以抵達(dá)太陽(yáng)以外公里的地方）。將來(lái)，隨著通訊和控制技術(shù)的提高，利用E城和甩電梯協(xié)調(diào)發(fā)送多極組合式火箭，使得造出30km/s的宇宙飛船變得容易多了。

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太空站的建造：初期是太空電梯的建造，其他部分有了太空電梯就方便多了。

太空電梯的建造：導(dǎo)軌和其相應(yīng)的空中太空電梯加工安裝設(shè)備等零部件共計(jì)1.3 ×108kg，需要將其所需的材料統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)到距地面以上35780公里的同步軌道上，在那里由太空軌道安裝中心向沿上下兩個(gè)方向建造導(dǎo)軌。

很顯然，這么多的物質(zhì)運(yùn)到太空很不容易，用現(xiàn)有的航天運(yùn)載工具是很不劃算的，很現(xiàn)實(shí)的辦法是在安裝太空電梯之前，先安裝一個(gè)小型的太空電梯，用它來(lái)運(yùn)輸未來(lái)的太空電梯，同樣道理，在安裝小型太空電梯之前，還應(yīng)該有一個(gè)微型太空電梯，而微型太空電梯所用的導(dǎo)軌材料不是廉價(jià)的碳纖維，而是昂貴的碳納米管（可你說(shuō)，沒(méi)有像碳納米管這樣的材料，一切都將沒(méi)有希望）。

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地球太空站是一道靚麗的風(fēng)景線，空中的C城讓地球上40%地方夜晚“伸手不見(jiàn)五指”成了過(guò)去，即使在白天，也有可能找到她；晚上，它是僅次于月亮的第二明亮的“星星。

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到月球的路線是：從A城乘坐太空電梯，路過(guò)B城、C城和D城，兩天后到達(dá)月球站，在月球站轉(zhuǎn)乘地月太空飛船，飛抵月球太空站的“地球站”，然后乘坐月球太空站上的太空電梯到達(dá)月球表面，返回的路線，不用我說(shuō)了吧？往返票價(jià)：150000美元。

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月球太空站：月球的太空電梯式太空站最有特點(diǎn)，它的伸向太空的一端剛好永遠(yuǎn)指向地球，不過(guò)，雖然月球的引力小，但是實(shí)際在它上面建造太空電梯的費(fèi)用卻比在地球上要大幾十倍（同等規(guī)模），其主要的原因除了月球距離我們遙遠(yuǎn)以外，還有一個(gè)很重要的原因就是月球的自轉(zhuǎn)速度很小。因此，在140年內(nèi)在月球上建造太空電梯，遠(yuǎn)不如在月球上直接采用火箭輸送更合算。其實(shí)，等地球上有了太空電梯，加上月球的引力小，月球上的火箭輸送費(fèi)用將會(huì)小到讓我們感覺(jué)非常輕松。

太空加工廠：主要是將由吊天梯送上來(lái)的原材料（或成品、半成品零部件）進(jìn)行加工、組裝，主要是太空工廠所需的設(shè)備。比如太空軸承廠、太陽(yáng)能發(fā)電站、飛船組裝中心，太空望遠(yuǎn)鏡和人造月亮以及太空加工廠自身所需的裝備和太空公路系統(tǒng)等。

太空軸承廠：制造人類(lèi)所需的高精度、高速、重載軸承的鋼球。

太陽(yáng)能發(fā)電站：在太空工廠上的太陽(yáng)能光電發(fā)電，相同面積時(shí)其發(fā)電量是地球的5倍，而且太空上有的是廉價(jià)的“地皮”，在失重的條件下可以大大減少材料消耗，大量的使用還能降低光電板的費(fèi)用、提高其效率。該發(fā)電站除了自用以外，更多的將通過(guò)微波的方式送往地面供人類(lèi)使用。

飛船組裝中心：

太空望遠(yuǎn)鏡：這里的每一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡的能力是哈勃望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，而成本卻比“哈勃”還低2倍。

和人造月亮：地球上每一個(gè)10萬(wàn)人以上的居住區(qū)都將擁有自己的“人造月亮”，其亮度為“滿月”時(shí)的亮度，而在一些需要的地區(qū)（比如災(zāi)區(qū)）， 數(shù)十個(gè)（或100個(gè)）人造月亮能把那里變得像路燈下一樣明亮甚至更亮。由于它利用的是陽(yáng)光，太空的金屬材料不容易腐蝕和疲勞，同步軌道上調(diào)整角度既方便又省力，所以基本上是一種一勞永逸的事情。

導(dǎo)軌材料及形狀：導(dǎo)軌的材料是太空天梯的關(guān)鍵，除了性能需要考慮以外，成本上主要要考慮兩大塊：一個(gè)是發(fā)射費(fèi)用，另一個(gè)時(shí)材料本身的成本。就目前而言：

1. 用火箭送往同步軌道的費(fèi)用是7~10萬(wàn)美金/公斤；

2. 上述的太空電梯，其運(yùn)輸成本只有15美元/公斤；

3. 碳納米管的抗拉強(qiáng)度2×1011Pa,密度1200公斤/米3，目前尚沒(méi)有能成功的制作出所需的形狀，有待于開(kāi)發(fā)，但是希望是很大的，只是時(shí)間問(wèn)題，目前成本3萬(wàn)美元/公斤（由于本項(xiàng)目需求量極大，有望突破1萬(wàn)美元/公斤），截面抗拉成本為6×10-5美元/米牛頓；

4. 碳纖維的抗拉強(qiáng)度1.5×1010Pa,密度1000公斤/米3，目前成本10美元/公斤，截面抗拉成本為6.7×10-7美元/米牛頓。

可見(jiàn)，在運(yùn)輸成本上，太空電梯只有火箭的1/5000，在材料成本上，碳纖維只有碳納米管的1/100，因此，在建造第一個(gè)太空電梯的時(shí)候，所用的導(dǎo)軌材料必須用火箭送往同步軌道，這時(shí)選用碳納米管最佳，而且規(guī)模不能太大。而以后的太空電梯，由于可以采用先前的太空電梯來(lái)運(yùn)輸，運(yùn)輸成本大大降低，就可以選用廉價(jià)的碳纖維做導(dǎo)軌，規(guī)?？梢杂鷣?lái)愈大，數(shù)量愈來(lái)愈多，而成本確愈來(lái)愈低。

（可以這樣的形象比喻：地球火箭在生命的最后才瘋狂到了極點(diǎn)?。?/p>

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太空電梯將成現(xiàn)實(shí)，穿梭太空僅需數(shù)小時(shí)，為什么科學(xué)家卻感到擔(dān)憂不已？

無(wú)論是在中國(guó)還是國(guó)外，高層建筑一般都配備電梯，這大大方便了居民的進(jìn)出。從這個(gè)角度來(lái)看，電梯也被認(rèn)為是20世紀(jì)的一項(xiàng)偉大發(fā)明。一些科學(xué)家認(rèn)為電梯的應(yīng)用不僅僅局限于地球，也許將來(lái)人類(lèi)可以將其應(yīng)用于航天工業(yè)。當(dāng)許多網(wǎng)民聽(tīng)到這個(gè)想法時(shí)，他們不禁要問(wèn):這是什么樣的天馬行空的想象？事實(shí)上，一些科學(xué)家已經(jīng)提議在太空“安裝”電梯，這可以極大地方便人類(lèi)在地球和太空之間穿梭。

據(jù)說(shuō)提出這個(gè)想法的科學(xué)家來(lái)自日本。經(jīng)過(guò)大量的研究和仿真設(shè)計(jì)，他終于提出了一種叫做“太空電梯”的模型?？臻g電梯不同于模型中高層建筑使用的電梯。它由四部分組成，即底座、繩索、電梯艙和空間站。底座固定在地面上，電纜連接底座和空間站，為升降艙提供升降空間。電梯艙是運(yùn)送人類(lèi)的交通工具，它的目的地是空間站。這位日本科學(xué)家表示，如果該模型成功應(yīng)用于航天工業(yè)，將大大減少空間事故的發(fā)生。

許多網(wǎng)民表達(dá)了對(duì)日本科學(xué)家大腦的欽佩，并且可以想到這樣一種裝置。事實(shí)上，日本十年前就已經(jīng)提出了“太空電梯”的概念，并且還成立了相關(guān)的協(xié)會(huì)。

然而，日本提出“太空電梯”計(jì)劃已經(jīng)有十年了。從目前的情況來(lái)看，這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展不大。原因之一是找不到合適的材料來(lái)制作繩索。因?yàn)榈厍蛞恢痹谛D(zhuǎn)，如果你想建造太空電梯，你還必須讓電梯隨地球一起旋轉(zhuǎn)，這是對(duì)太空電梯繩索的巨大考驗(yàn)。根據(jù)對(duì)硬度和韌性的要求，日本科學(xué)家還沒(méi)有找到合適的材料。

太空電梯設(shè)計(jì)圖的介紹就聊到這里吧，感謝你花時(shí)間閱讀本站內(nèi)容，更多關(guān)于流浪地球二太空電梯設(shè)計(jì)圖、太空電梯設(shè)計(jì)圖的信息別忘了在本站進(jìn)行查找喔。