太空电梯有什么用?乘坐这么高的电梯安全吗?

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太空电梯有什么用?乘坐这么高的电梯安全吗?
太空电梯 【简介】
太空电梯这个概念最早来自100年前,著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基(Knostantin Tsiolkovsky)设想了一个建立在巨塔顶端的“天空城堡”(或许圣经里的巴别塔更早,不过那里没电梯).
不过真正从技术角度描述了这个问题的是阿瑟·克拉克,他在上世纪70年代末设想了延伸到太空的电梯,并以此写出《天堂的喷泉》('Fountains of Paradise'),描述了在一个热带岛屿建造一个太空电梯的故事
太空电梯的主体是一个永久性连接太空站和地球表面的缆绳,可以用来将人和货物从地面运送到太空站.而且,太空电梯还能用做一个发射系统,因为太空电梯必然被地球带动旋转,而越高的地方速度越快,所以将飞船从地面运送到大气层外足够高的地方,只要一点加速度就可以起航了.或者如前面说的,用太空电梯把零部件带上太空站,在那里组装
【相关报道】
荆楚网金报综合消息据俄罗斯《真理报》近日报道,“太空电梯”——这个世界上独一无二的设想将在最近几年有突破性进展.受欧洲太空署委托,俄罗斯萨马拉太空大学的科学家一直在研究建造这种可以把许多物品从国际空间站送回地球的装置.
报道称,俄罗斯萨马拉城的科学家目前已将“太空电梯”的研究工作进行到工作收尾阶段.这部“太空电梯”的主要工作原理其实并不复杂,装有货物的太空舱通过一根30公里长的特别牢固的缆绳送回地球.虽然缆绳很长,但其重量不会超过6公斤,需要用特别材料制成.当其进入大气层后,缆绳会燃烧,而货物则接着依靠气球继续缓缓地落向地球.
据报道,俄罗斯萨马拉城的科学家计划在2004年10月完成研制工作,第一次试验安排在今年年底.工程主任迈克·克劳夫相信,这个工程一定会成功.
直到今天,从太空返回地球耗时费力,但“太空电梯”将解决这个问题.虽然“太空电梯”耗资巨大,可是一旦建成,收获也将非常巨大.科学家认为,这样的“太空电梯”甚至可以用来探测其他的行星.
【人类造“太空电梯”历程】
1970年,美国物理学家皮尔森最先提出建造“太空电梯”的设想(一说“太空电梯”最早见于科幻小说家阿瑟• C• 克拉克1979年创作的《天堂之泉》).当时人们对他的建议就是“改行写科幻小说去吧”.
2000年,美国航空航天局曾对“太空电梯”作出乐观评估,声称“在未来50年左右,我们就可能开始建造,需要的只是一些研究和一点运气.”
2002年底,美国媒体对西雅图一家电梯公司进行了报道,这家公司正进行“太空电梯”项目.他们甚至“初步考虑‘太空电梯’将用纳米材料制成.”据称唯一的阻力是费用太高,当时公司已筹集到约4000万美金,但整个项目预计需要100亿美元!
2003年,随着人类太空探索步伐的加快,更多科学家开始考虑设计一种更为便捷的外太空和地球的物资交换方式(类似俄罗斯的研究).9月15日,七十多位科学家和工程师在美国探讨“太空电梯”计划,提出在至少一个世纪内将“太空电梯”变成现实,使之用于发射卫星和飞船,甚至将人类直接送上太空.
【如何建造合理的太空电梯】
建造太空电梯显然将是人类最大的工程项目,需要数万公里长的缆绳,还需要强大的支撑物来将它的底部固定在地球上.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35,800公里左右),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,将包括自重心点起往上、下两方向各自伸展出的数万公里长的索道或者管道,分别被形象地称为“吊天梯”和“甩天梯”.事实上,建造的时候也应该是从中间的太空站开始同时向上下两个方向同时修建.
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,太空电梯上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太空电梯上的空间站,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.
如果太空电梯失去平衡,巨大的拉扯力是很难靠太空电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太空电梯对抗拉强度的需要.根据现在的材料科技水平,只有20世纪90年代发展起来的碳纳米管,可以在强度和重量的比例方面合乎要求,用纳米技术制造的缆绳可以更细,重量更轻,同时强度却更大,更柔韧.更先进的纳米技术甚至可以提供活性材料,让缆绳能自己发现缺陷并自己修复.
太空电梯不仅提供宇航方面使用,还可以提供给旅游方面,根据英国人测算,目前用航天飞机送一个旅游者(包括行李)需要花费6万英镑,而用太空电梯只需要150英镑.
但是太空电梯还面临一个无法决解的难题,就是他无法使用,太空电梯或许是浪漫漫主义的设想,所以他的提出和发起者忽视了一个物理定律——能量守恒定律.
假设太空电梯得以建成,要把地球上的一批货物送往太空,这批货物在地球表面上的时候,跟随地球表面一起运动,它的地球环绕线速度为463.31米/秒,但是,通过太空电梯运送到距离地球35860千米高的地球同步静止轨道上时,它的地球环绕线速度达到了3075米/秒,速度为地表时的6.64倍,动能为地表时44.1倍,从地球表面到地球同步静止轨道,物体的动能得到巨大的增长,这样巨大的动能来自何方?采用常规方式发射的航天器,动能由运载火箭、航天飞机等运载工具提供.通过太空电梯运载到太空中的货物,动能只能由太空电梯系统提供,物体从地面到太空所增加的不但有动能还有势能,太空电梯上的攀登者运载器把通过激光所传递来的能量,转化为物体的势能.但动能只能由地球和系留卫星损失自己的动能来补充货物的动能.
由于地球自转的角速度是15度/小时,整个太空电梯系统必须和地球保持一致的角速度,攀登者轨道运输器将货物从地球表面向太空运输的过程中,随着高度的增加,“攀登者”绕地球的线速度将必须随之增加,才能保持角速度一致.攀登者在攀爬过程中因为自身线速度的不足,而无法跟上“系留卫星-缆绳”体系的的角速度,因而会对缆绳产生运行阻力,阻力会沿着缆绳向两端传播,大部分阻力将传向地球,也有一部分阻力会传向系留卫星,地球和系留卫星受到阻力影响后会分别对攀登者产生一个反作用拉力,并形成一个合力,为攀登者加速,从地球表面到地球静止轨道,这种加速一直进行着.对于地球这么一个庞然大物来说向攀登者施加一个拉力不会有太大影响,但是对于系留卫星来说,向攀登者提供近似水平方向上的拉力影响是明显的,它付出拉力后必然损失速度和动能,并降低高度.
我曾经和美国参与太空电梯项目的Liftport公司（Liftport公司博客）取得联系,告诉他们太空电梯违反了能量守恒定律,liftport公司负责媒体的执行副总裁乔-朱利安先生对我提出的意见给我回了信,尽管我们在一些问题上意见是一致的,比如我们都认为攀爬者太空电梯在向上运输货物的过程中需要不断补充动能,而且地球将向太空梯补充动能．但是我们在一个最关键的问题上存在很大的分歧,就是系留卫星是否将向太空梯提供动能,他坚持认为攀登者只接受地球所提供的动能,而地球所提供的这点动能,对地球来说算不上多大损失,还比不上月球导致的地球潮汐对地球的动能损失大；而我则认为攀登者将会接受来自地球和太空电梯两方面的动能,而且电梯在上升的过程中,缆绳会倾斜,我们都没有说服对方．
Liftport公司认为地球会长久的损失动能正好表明他们并没有正确的认识太空电梯对地球动能的影响．其实地球在太空电梯向太空运送货物的时候会损失一部分动能,但是在太空电梯运载货物返回地球时,太空电梯将会把多余的动能返还给地球.
太空中飞行的物体的动能都很大,这些物体返回大气层时,传统方法是利用大气的阻力来减速,消耗掉动能.攀登者和它所运载的货物的动能也是很大的,他们沿着缆绳慢慢返回地球,由于固定在缆绳上与地球保持自传方向上的静止状态,与地球大气也是相对静止的,只能依靠缆绳来减速,多余的动能也将传递给缆绳,这必然给缆绳一个加速力,缆绳的两端,一端栓着地球,另一端栓着系留卫星,按照日常生活的常识,缆绳受到的阻力必然将向两端传递,传递给地球和系留卫星.按 Liftport 公司的观点说去的时候是地球提供了全部所需的动能,那么在回来时候呢,难道说缆绳所受到的阻力还是全部都只传回了地球吗?那又是谁给了系留卫星这样不受任何影响的特权呢?假若太空梯的制造者们回答说多余的动能的确会传给系留卫星一部分,那么既然系留卫星在攀登者返回地球时可以得到动能,那么在攀登者驶向太空的时候为什么不向它提供动能呢,只接受动能不提供动能,这不一样会导致栓系留卫星的缆绳倾斜吗?
后来我和美国太空基金会的专家本-沙雷夫先生探讨了这个问题,与乔-朱利安先生不同,他认同我的更多观点,认为在卫星上升的过程中,的确会消耗系留卫星的动能,从而使得卫星位置漂移,缆绳倾斜.但本-沙雷夫先生又解释说：太空电梯的缆绳虽然在电梯上升的时候会倾斜,但是,卫星会它产生一个离心力,离心力会产生一个向东的分力,促使卫星恢复平衡,就像钟摆一样.但是我发现他们没有考虑到一个问题,就是地球对缆绳的拉力,地球对缆绳的拉力也会产生一个向东的分力,也就是说-----在缆绳的两端都会有一个向东的分力,如果上面的力大于地球所产生的分力,则卫星确实会恢复到原来的位置；如果下面来自地球的分力大于卫星离心力的分力,则缆绳会更加倾斜.但是如果缆绳两边所受到的分力大小一致,方向相同,则卫星和缆绳将保持现有的位置不动.到底缆绳两边受到的分力是怎样的情况,我画图十几分钟就论证出来：卫星保持静止稳定状态.
力学分析如下.（当然实际上缆绳的倾斜度是不到一度的,为了便于分析,我将角度画得比较大,便于观看.）

已经知道的条件是：上面那条粗线表示的卫星的运行轨道,下面那条粗线表示地球表面,两条线保持平行.
其中,线段CB表示卫星所产生的离心力
线段AC表示离心力所产生的向上的斜拉分力
线段CD表示离心力所产生的向右的分力,它驱使卫星回归原来的位置.
线段EN表示地球对缆绳产生的向下的斜拉力,大小与斜拉力AC相同,方向相反,所以线段AC和线段EN长度相同,并且在同一条直线上.
线段EF表示地球斜拉力所产生的向东的分力,它迫使卫星更加倾斜.
线段EG是地球斜拉力所产生的向下的分力.
上下两个图形为平行四边形
BC⊥CD,BC⊥AB.FN⊥EF
由于CD和EF两个分力的方向相同,只要证明它们的长度一样,就可以得出它们是方向相同,大小一样的力,并可以得出卫星和缆绳即使在倾斜的状态下,也会保持倾斜状态不会改变.而不是他们所愿望的能够恢复原来的位置.这是个很简单的数学题,相信高中生也能很容易的证明出来的.
为论证力学分析,我还做了一个实验.用绳子栓住一棵螺母,将绳子的另一端栓在电钻的钻头上,启动电钻,将速度调到比较慢的状态下,匀速旋转.一开始由于螺母静止,钻头将绳子收紧,并将一部分绳子缠绕在钻头上,然后当绳子和螺母都跟上钻头的角速度以后,螺母和钻头就保持这种相对静止的状态一起旋转,无论转多久,缆绳的长度没有增加,旋转半径没有扩大的迹象,这表明,即使绳子是倾斜于钻头的,只要螺母能跟上钻头的角速度,则它们的位置将是相对静止的.这里钻头相当于地球,小绳相当于缆绳,螺母相当于系留卫星.卫星即使倾斜,也会永远保持倾斜,而不会如本-沙雷夫先生所指望的像钟摆一样恢复原来的位置.

钟摆的比喻不适合太空电梯,因为钟摆本身是静止的,而地球和卫星都是运动的.
我向本-沙雷夫提出了我的分析和实验,他没有给予明确回答,只是建议我们各自保留彼此的观点,并向我提供太空电梯发起人布雷德·爱德华兹先生的电子邮箱,我随即去和爱德华兹先生联系,但没有回音.
我随后将我论证的手稿通过电子邮件,发送给BEN.（如下图）

但BEN对我所给出的论证却无法作出回应,他希望我们彼此保留各自的观点.
「将水从星球表面吸上来,还不如直接从宇宙另一头运过来!」这是星界战旗里的一句话,很明白的点出了人类探索太空的第一大问题：我们处在地球的「重力井」里,就像真正的井一样,一个站在10 公尺深的井底的人想要爬井外所要花的力气,远大于在井边的平地上走个 100 公尺.对比到外层空间,就出现了从地表进入轨道要一架超级大火箭,但从轨道到月球只要一只小太空舱的这种怪事情.
后来我们进步到了航天飞机时代.航天飞机可以重复利用,节省材料,但并不表示它就比较省能源 -- 将这么重一个东西送入轨道就是要花这么多的能量,而更搞笑的是,大部份的能量其实都花在推送火箭自已的燃料上了.有没有什么方法,是只要用物理所要求的最低能量,将东西送入太空的呢?答案就是太空电梯.
太空电梯首度进入一般人的想象之中,是因为阿瑟．克拉克的名作「乐园之泉（Fountain of Paradise）」.如果能将一根绳子从地球同步轨道上的太空站垂下,固定在地表相应的点上,那不就可以直接将货物延着缆绳运送上去了吗?完全不用浪费额外的能源在推送的燃料上 -- 只要将货物本身送上去就 OK 了.多美好啊!不过等到科学家和工程师真正动手开始研究了,才发现情况好像没有想象中那么简单...基座
基座基本上一定是在赤道上,因为这样从地球同步轨道上垂下来的距离最短.基座有提出固定式和漂移式两种选择,其中固定式的比较容易完善周边的硬件设施（发电器材、指挥所、太空港）,但漂浮式的,无论是海上的大型平台甚或是平流层中的大型飞行平台,都有借移动来躲避不良气候或太空杂物的可能,因此也有不少支持者.（要造出大型飞行太空站的难度...不比做太空电梯本身低吧 orz）
[编辑本段]缆绳
事实上称之为「缆带」可能更合适,因为目前的设计都倾向于使用一条扁长,像录音带那样的带子做为主缆绳.这条缆带也不会是从头到尾一样粗的 -- 据计算在地球同步轨道处缆带所承受的拉力最强,因此这地方会最粗,然后向两边变细来节省重量.缆带的材质问题是阻挠太空电梯发展的最大因素,目前人类已知的材料硬是没有一种能达到太空电梯所求的强度／重量比.最有希望的材质是碳奈米管,可是虽然个别碳奈米管能耐的张力已经达到承载太空电梯的标准,但拉
成缆带后就无法维持这样的耐力了.不过倒也不必太担心：碳奈米管已经注定是未来一个极重要的研究方向,因为它的用途实在太多太多了.一但材料科学的研究以及大规模的生产起来,缆带终究会有解决的方案的.
[编辑本段]电梯舱
电梯舱是在缆绳上爬的那个部份.太空电梯毕竟不是传统电梯,从天上垂一根超长的绳子下来把电梯吊上去是不太可能的 -- 电梯要自已想办法爬上去.最简单的方法是在电梯上装马达,带动夹着缆带的一组轮子转动,从而取得向上的动力.马达的电源可以从缆带上取得,或用装在电梯舱上的发电机,但这两种都会增加重量.比较省重量的方法是在电梯舱上装两片反光板,然后从地面发射雷射将电梯舱「射」上去 -- 听起来很科幻,但目前的实验显示这其实是个可行的方案,只要激光够大支.
[编辑本段]太空站
最后,是在缆绳另一端的太空站.太空站是必须的,因为要抵消缆绳的重量.事实上,意想中的太空站不是放在同步卫星轨道上,而是更高一点点的位置,因为整条缆绳加太空站全体的重心要放在地球同步轨道上才不会发生偏离.太空站的建造会相当麻烦,因为随着缆绳的加粗,太空站的位置要不断地调整.但一切顺利的话,到最后太空站除了可以当平衡锤之外,还可以当作人类前往其它星球的发射台呢!
美国的太空电梯竞赛已经三次以无人达到标准（每秒两公尺的上升速度）告终,但美国很认真的要继续推动这个技术的发展.日本则是投入了 73 亿美元发展自已的太空电梯技术,希望能在这个领域取得领先.谁先造出第一部太空电梯,几乎就等同于赢得了殖民外层空间的门票,因此可以想象当技术进步到一定程度之后,一定会引发新一波的太空竞赛.