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太空電梯的緣起,這就是太空升降設備的工作原理


2022年10月12日 - 宇宙小編  
 

在模型概念圖中,這個升降機將能夠攜帶多達13噸的貨物進入太空,由激光束推動。

圖片由電梯港集團提供

1981年4月12日,哥倫比亞號航天飛機在佛羅裏達州肯尼迪航天中心發射升空,開始第一次航天任務,並實現了可重複使用航天器的夢想。至今,美國宇航局已經發射了100多個成功執行任務的航天器,但價格變浮動空間不大。無論是航天飛機還是不可重複使用的俄羅斯航天器,發射的成本約為每磅10000美元(每千克22000美元)。

正在開發的一種新的空間運輸系統可以使前往地衛星軌道(GEO)的旅行被提上日程,並推動全球經濟。

由碳納米管複合材料帶制成的太空升降機固定在海上可移動平台上,它可以延伸到大約62000英裏(100000公裏)的空間中。然後,連接在升降帶上的機械升降機將載入升降帶,將貨物和人送入太空,價格僅為每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。


在本文中,我們將了解太空電梯的概念是如何從科幻小說走向現實的。

太空電梯傳送帶太空升降機末端的輜重將使碳納米管帶保持拉緊狀態。

圖片由電梯港集團提供

為了更好地梳理太空電梯的認識,可以比作一個遊戲,遊戲中繩子一端系在杆子上,另一端系在球上。在這個類比中,繩子是碳納米管複合材料帶,杆子是地球,球是輜重。現在,想象一下,球一直繞著杆子旋轉,速度加快,以至於繩子繃緊。這是太空電梯的總體構思。配重繞地球旋轉,使纜繩保持筆直,並允許機器人升降器在鋼帶上上下移動。

根據LiftPort(電梯港集團)提出的設計,太空電梯的高度約為62000英裏(100000公裏)。LiftPort是為太空電梯或其部件開發計劃的幾家公司之一。在2006年10月於新墨西哥州拉斯克魯斯舉行的X大獎杯上,來自世界各地的團隊爭奪了獎金達40萬美元的太空電梯比賽一等獎。

電梯的核心是碳納米管複合材料帶,它只有幾厘米寬,幾乎和一張紙一樣薄。1991年發現的碳納米管使科學家們相信可以作為太空電梯建築材料。據太空基金會的布拉德利·愛德華茲博士(Bradley Edwards)說,“以前材料制造挑戰太大,但現在我們已經接近了創造碳納米管的新階段,以及在制造機器中可以通過大量的材料來訂制一款能延伸到外太空的升降帶。根據一些早期計劃,剩餘的建築材料將用於加工成配重。

圖片由電梯港集團提供

碳納米管的強度可能是鋼的100倍,並且像塑料一樣柔韌。碳納米管的強度來自其獨特的結構,類似足球。一旦科學家們能夠用碳納米管制造出纖維,就有可能為太空升降機制造出升降帶。以前可用的材料太弱或不靈活,無法形成色帶,很容易斷裂。

LiftPort Group的研究總監湯姆·紐金特(Tom Nugent)說:“它們的彈性模量非常高,抗拉強度非常高,從理論上講,所有這些都表明了一種材料可以使太空電梯相對容易建造。”。

功能區可以通過兩種方式構建:

長碳納米管——幾米長或更長——將被編織成類似繩子的結構。截至2005年,最長的納米管仍然只有幾厘米長。

較短的納米管可以放置在聚合物基體中。當前的聚合物不能很好地與碳納米管結合,這導致在施加張力時,基體被從納米管上拉開。

一旦一條長的納米管帶被制造出來,它將被卷繞成一個線軸,然後發射到軌道上。當攜帶線軸的航天器到達一定高度時,可能是近地軌道,它將開始解制冷,將升降帶降回地球。同時,滑閥將繼續向高空移動。當升降帶被放入地球大氣層時,它將被下降並固定在海洋中的移動平台上。

這條升降帶將作為一條通向太空的鐵路的軌道。然後用機械升降器將升降帶提升到太空。

太空電梯的性能如何

如果建成,這條升降帶將代表一個現代世界奇跡,並將成為有史以來最高的建築。歷數世界上最高的獨立塔在2005年屬於加拿大多倫多的CN塔,為全加拿大最高,達1815英尺5英寸(553.34米)的國塔。太空電梯則將比CN塔高180720倍!

這架62000英裏(100000公裏)長的太空電梯將遠遠高於航天飛機的平均軌道高度(115-400英裏/185-643公裏)。事實上,它幾近於到月球距離的四分之一,月球繞地球運行總長237674英裏(382500公裏)。

乘坐太空電梯到達山頂

在升降機兩端的攀岩者將以大約200英裏/小時的速度卷起升降帶。

圖片由電梯港集團提供

雖然升降帶仍然是一個概念組件,但太空升降機的所有其他部件都可以使用已知技術制造,包括機器人升降器、錨地動力光束系統。到升降帶建成時,其他組件將在2018年左右准備就緒。

電梯

機器人升降機將使用升降帶引導其升空。升降機上的牽引踏面滾輪將夾緊複合材料合管帶並將升降帶拉過,使升降機能夠牽引載入升降帶。

站寬

太空升降機將來自赤道太平洋的一個海上可移動平台,該平台將把帶狀物固定在地球上。

配重

在升降帶的頂部,將有一個起平衡作用的配重。早期的太空升降機計劃包括捕獲一顆小行星並將其用作配重。然而,LiftPort和科學研究所(ISR)又最新計劃了包括使用人造配重等。事實上,配重可能是由用於制造升降帶的設備組裝而成,包括用於發射升降的航天器。

光束

升降機將由位於錨站或錨站附近的自由電子激光系統供電。ISR稱,激光將向光伏電池發射2.4兆瓦的能量,光伏電池可能由連接在升降器上的砷化镓(GaAs)制成,然後將該能量轉換為電能,供傳統铌磁直流電動機使用。

成功運行後,升降機將實現每天載入太空電梯。升降機的規格將從最初的5噸到20噸不等。這個20噸重的升降機將能夠承載多達13噸的有效載荷,另有900立方米的空間。升降機將以每小時約118英裏(190公裏/小時)的速度運送從衛星到太陽能電池板的實物,最終運送人類。

太空電梯維修


太空電梯帶將固定在赤道太平洋的一個海上可移動平台上。作為協調電梯避免軌道碎片系統的一部分,移動平台可以重新定位。

在長達62000英裏(100000公裏)的太空電梯將容易受到許危險因素的侵襲,包括天氣、空間碎片和恐怖分子。隨著太空電梯設計計劃的推進,開發商正在考慮這些風險以及克服這些風險的方法。事實上,為了維持至少一台可運行的太空電梯,開發商計劃建造多個太空電梯。每一個預算上都比前一個便宜。第一台太空電梯將作為建造更多太空電梯的平台。在這過程中,開發人員能確保一台太空電梯遇到問題,其他電梯也可以繼續將有效載荷提升到太空中。

避免空間碎片

太空升降機需要能夠避開軌道物體,如衛星碎片。錨定平台將采用主動避讓保護太空升降機不受此類物體的影響。目前,北美航空航天防禦司令部(NORAD)跟蹤的物體大於10厘米(3.9英寸)。保護太空升降機需要一個軌道碎片跟蹤系統,該系統可以探測到大約1厘米(0.39英寸)大小的物體。這項技術目前正在為其他空間項目開發。

LiftPort公司的湯姆·紐金特(Tom Nugent)說:“我們計劃將升降帶固定在海洋中的一個移動平台上。”。“實際上,你可以移動錨,把升降帶與衛星分開。”

戰略性規避攻擊

太空電梯的孤立位置將是降低恐怖襲擊風險的最大因素。例如,據LiftPort公司稱,第一個錨地將位於赤道太平洋,距離任何航線或航道至少404英裏(650公裏)。只有一小部分的太空電梯將暴露在攻擊範圍內,即9.3英裏(15公裏)或以下。此外,太空電梯將是一種寶貴的全球資源,很可能受到美國和其他外國軍事力量的保護。

太空電梯撞擊

太陽景觀的空間模型。

圖片由電梯港集團提供

太空電梯的潛在影響正在與另一項偉大的交通成就——美國橫貫大陸鐵路(U.S.TranscontinentalRailway)相比較。這條鐵路線於1869年在猶他州的海角完工,第一次連接了該國的東西海岸,加速了美國西部的移民。跨國旅行從幾個月減少到幾天。它還開辟了新市場,催生了全新的產業。到1893年,美國有五條橫貫大陸的鐵路線。

太空電梯的想法與橫貫大陸的鐵路有許多相似。太空電梯將創建一個永久的連接地球到太空的通道,不會關閉。雖然它不會使太空之旅更快,但它會使太空之旅更加頻繁,並將為太空開辟一個新的發展時代。也許推動太空升降機想法的最大因素是它將大大降低將貨物送入太空的成本。雖然比化學推進的航天飛機速度慢,但升降機將發射成本從每磅10000美元到20000美元不等,折合每磅約400美元。

據《太空電梯,NIAC第二階段最終報告》的作者布拉德利·愛德華茲(Bradley Edwards)的說法,目前估計建造太空電梯的成本為60億美元,法律和監管成本為40億美元。(愛德華茲也是低碳設計公司的總裁兼創始人布拉德利·卡爾·愛德華茲博士。),1971年,航天飛機計劃的成本預算為52億美元,但發生成本為195億美元。此外,每架航天飛機的飛行費用為5億美元,超過最初預算的50多倍。

太空升降機可以取代航天飛機成為主要的太空交通工具,並用於衛星部署、防禦、旅遊和進一步探索。對於後一點,航天器將傳上電梯的傳送帶,然後在太空中向其主要目標發射一次。這種類型的發射耗費的燃料比傳統飛出地球大氣層消耗的燃料要少。一些設計師還認為太空電梯可以建造在其他行星上,包括火星。

美國宇航局資助了愛德華茲博士三年的研究。然而,在2005年,它只向研究太空電梯的公司提供了2800萬美元經費。盡管公司仍然對這個項目非常感興趣,它更願意心平氣和地坐觀進一步發展。

注:海上移動平台即懸浮球載平台,主要用於升降操作。十年前由來自華盛頓州塔科馬LiftPort開始籌資設計。

BY: KEVIN BONSOR

FY:jane

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