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  • 太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    为了实现可重复使用航天器的梦想,哥伦比亚号航天飞机于1981年4月12日从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空,开始了第一次航天任务。 自那时以来,NASA发射了100多次任务,但太空任务的价格变动不大。 无论是航天飞机还是不可重复使用的俄罗斯航天器,发射的成本约为每磅10,000美元(每公斤22,000美元)。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    从这位艺术家的这幅概念图中可以看出这个升降机能靠激光推动来运送13吨的货物进太空。

    正在开发的新的太空运输系统可以使前往地球静止轨道(GEO)的旅行成为日常活动,并改变全球经济。

    由锚定在海上平台上的由碳纳米管复合带制成的太空电梯将向太空中延伸约62,000英里(100,000公里)的小配重。 然后,附着在功能区上的机械升降器将爬上功能区,将货物和人员运送到太空中,价格仅为每磅100至400美元(每公斤220至880美元)。

    在本文中,我们将研究太空电梯的概念如何从科幻小说转变为现实。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    太空电梯带

    电梯末端的配重将使碳纳米管碳带保持绷紧状态。

    为了更好地理解太空电梯的概念,请想象一下绳球游戏,一根绳子的一端连接到杆子,另一端连接到球。 在这个比喻中,绳索是碳纳米管复合带,杆是地球,球是配重。 现在假设球在绕杆不停旋转,它转的很快所以可以使绳索保持拉紧状态。 这是太空电梯的总体思想。 配重绕地球旋转,使缆绳保持笔直,并允许自动举升装置沿太空电梯带上下滑动。

    根据LiftPort(一家制造太空电梯的公司)提出的设计,太空电梯的高度约为62,000英里(100,000公里)。 LiftPort是为太空升降机或升降机组件开发计划的几家公司之一。 2006年10月,来自世界各地的团队争夺在新墨西哥州拉斯克鲁塞斯举行的X奖杯太空电梯比赛的一等奖—40万美元。

    太空电梯的核心是碳纳米管复合碳带,它只有几厘米宽,几乎和一张纸一样薄。 1991年发现的碳纳米管使科学家们相信可以用它建造太空电梯。 根据Spaceward Foundation的布拉德利·爱德华兹(Bradley Edwards)博士说:“以前,材料方面的挑战太大了。但是现在,我们在制造碳纳米管和制造机器方面的进展越来越先进,这些机器可以制造出所需的大量材料即一条将伸展到太空中的缆绳。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    根据早期的一些计划,剩下的建筑材料将被作为配重。

    碳纳米管的强度是钢的100倍,柔韧性是塑料的100倍,碳纳米管之所以有这么高的强度是因为它的独特的足球形的结构。一旦科学家们能够用碳纳米管制造纤维,就可能可以做出太空电梯用的缆绳。以前可用的材料不是太软就是太硬,做成缆绳还很容易烂。电梯港集团研究总监汤姆·纽金特说:“它们具有很高的弹性模量,而且抗拉强度确实很高,所有这些都从理论上表明,这种材料应该使太空电梯的制造变得相对容易。”

    可以通过两种方式制作缆绳:

    •将几米长或更长的长碳纳米管编织成类似于绳索的结构。 截至2005年,最长的纳米碳管仍只有几厘米长。

    •较短的纳米管可以放在聚合物基质中。 当前的聚合物不能很好地与碳纳米管结合,这导致当置于张力下时基质被从纳米管拉开。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    一旦形成了长条的纳米碳管,它将被缠绕成一个线轴,然后被发射到轨道上。 当载有线轴的航天器到达某个高度(也许是低地球轨道)时,它将开始绕线,从而将缆绳降回地球。 同时,线轴将继续移动到更高的高度。 当缆绳下降到地球大气中时,它将被抓住,然后下降并固定在海洋中的移动平台上。

    缆绳将充当某种铁路进入太空的轨道。 然后,将使用机械升降器将缆绳上升到太空里。

    怎样的太空电梯才能合格

    如果太空电梯建成了,那它将是有史以来最高的建筑物,还会成为现代世界的奇迹。至道2005年时,世界的最高独立式塔是在加拿大多伦多的加拿大国家电视塔,有1815英尺5英寸高(553.34米),太空电梯要比它高180.720倍。6200英里(100000公里)的太空电梯将上升到远远高于航天飞机平均轨道的高度。

    (115-400英里/ 185-643公里)。 实际上,这相当于地球到月球的距离的近四分之一,月球离地有237,674英里(382,500公里)远。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    乘坐太空电梯到顶部

    电梯两端的登山者(?climbers)将以大约200 mph的速度卷起缆绳。

    摄影礼遇集团 尽管功能区仍然是概念性组件,但可以使用已知技术来构造太空电梯的其他所有部件,包括机器升降器,锚站和电力波束系统。 到功能区建成时,其他组件将准备大约2018年左右的某个时间推出。

    电梯

    机器升降器将使用缆绳将其拉升到太空中。电梯上的牵引踏板可将其夹在缆绳上并通过拉动缆绳从而使电梯能够上升。

    锚站

    太空电梯的起点是赤道太平洋的移动平台,它将把缆绳固定在地球上。

    配重

    在功能区的顶部,将有很重的配重。 太空电梯的早期计划包括捕获一颗小行星并将其用作对重。 但是,如LiftPort和科学研究所(ISR)的最新计划包括使用人造配重。 实际上,配重可以是由用于建造缆绳的设备组装而成的,包括用于发射缆绳的航天器。

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    功率光束

    电梯将由位于锚固站上或锚固站附近的自由电子激光系统提供动力。 据ISR称,激光束将2.4兆瓦的能量发射到光伏电池上,该光伏电池可能由附着在升降机上的砷化镓(GaAs)制成,然后将其转换为电能,以供常规的铌磁铁直流电动机使用。

    一旦投入使用,电梯几乎每天都可以升入太空。电梯的大小从最小的5吨到20吨不等。 20吨重的起重器将能够携带多达13吨的有效载荷,并具有900立方米的空间。 电梯将载运从卫星到太阳能电池板的货物,最终人类以每小时约118英里(190公里/小时)的速度上升到功能区。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    太空电梯维修

    太空电梯的缆绳将被固定在赤道太平洋上的一个移动平台上。作为帮助电梯避开轨道碎片的系统的一部分,移动平台可以重新定位。照片由Liftport组提供。在6.2万英里(10万公里)的长度上,太空电梯将容易受到许多危险,包括天气、太空碎片和恐怖分子。随着太空电梯设计计划的推进,开发商正在考虑这些风险和克服风险的方法。事实上,为了确保始终有一个可运行的太空电梯,开发商计划建造多个太空电梯。每一个都会比前一个便宜。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    第一个太空电梯将作为一个平台,在此基础上建造更多的太空电梯。通过这样做,开发人员可以确保,即使一台太空电梯遇到问题,其他电梯也可以继续将有效载荷送入太空。避免空间碎片与空间站或航天飞机一样,太空电梯需要具备避开轨道物体(如碎片和卫星)的能力。锚定平台将采用主动回避,以保护空间电梯免受此类物体的影响。目前,北美防空联合司令部(NORAD)追踪大于10厘米的物体(3.9英寸)。保护空间电梯将需要一个轨道碎片跟踪系统,该系统能够探测到大约1厘米(0.39英寸)大小的物体。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    目前正在为其他空间项目开发这项技术。Liftport公司的Tom Nugent说:"我们的计划是将丝带固定在海洋中的一个移动平台上。"实际上,你可以移动你的锚拉出卫星的缆绳。"击退攻击太空电梯的孤立位置将是降低恐怖袭击风险的最大因素。例如,据Liftport公司介绍,第一个锚点将位于赤道太平洋,距离任何航空或海运航线404英里(650公里)。只有一小部分的太空电梯将受到任何可能的攻击,任何9.3英里(15公里)或以下的攻击。

    进一步的太空电梯将成为宝贵的全球资源,可能会受到美国和其他外国军事力量的保护。空间电梯冲击艺术家对太阳景观的定义。照片由Liftport组提供太空电梯对全球的潜在影响被拿来与另一项伟大的交通成就——美国横贯大陆铁路进行比较。横贯大陆的铁路于1869年在犹他州海岬(Promontory)建成,首次将美国东西海岸连接起来,加快了美国西部的移民步伐。跨国旅行从几个月减少到几天。它还开辟了新的市场,催生了全新的产业。到1893年,美国拥有五条横贯大陆的铁路。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    太空电梯的想法与横贯大陆的铁路有许多相同之处。太空电梯将创造一个永久的地球与太空的连接,永远不会关闭。虽然它不会使太空之旅变得更快,但它会使太空之旅变得更频繁,并将开启太空发展的新时代。也许推动太空电梯想法的最大因素是,它将大大降低将货物送入太空的成本。虽然速度比化学推进的航天飞机慢,但这种升降器将发射成本从每磅1万至2万美元降至每磅约400美元。目前估计建造太空电梯的成本为60亿美元,法律和监管成本为40亿美元。太空电梯,NIAC第二阶段最终报告。(爱德华兹也是碳设计公司(Carbon Designs)总裁兼创始人布拉德利·卡尔·爱德华兹(Bradley Carl Edwards)博士)。

    太空电梯在未来是否可以实现,它又是如何工作的?

    航天飞机计划的成本在1971年预计为52亿美元,但最终花费了195亿美元。此外,每次航天飞机飞行的费用为5亿美元,这比原先估计的数字高出50多倍。太空电梯可以取代航天飞机成为主要的空间运载工具,用于卫星部署、防御旅游和进一步探索。对于后一点,航天器将爬上电梯的带子,然后在太空中向其主要目标发射一次。这种类型的发射所需的燃料比通常冲出地球大气层所需的燃料要少。一些设计师还认为,太空电梯可以在其他星球上建造。包括火星。NASA资助了爱德华兹博士三年的研究。然而,在2005年,它只向研究太空电梯的公司提供了2800万美元。尽管它对这个项目仍然很感兴趣,但现在它更愿意坐下来等待更具体的进展。凯文·邦索著

    作者: KEVIN BONSOR

    FY: UNICORN

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