乘坐電梯去太空

□ 騰 月 思 飛

對于普通人來說，上太空觀光最便捷的方法是什么？答案很簡單，乘坐太空電梯。然而，要實(shí)現(xiàn)這個看似簡單的計(jì)劃卻十分不易。這是一個十分浩大的工程，投資大，技術(shù)要求高。盡管如此，日本一家公司還是迎難而上，準(zhǔn)備在40年內(nèi)建成太空電梯，每次可搭乘30名乘客升到距離地球3.6萬千米的太空中。

從不可能到可能

建造太空電梯的設(shè)想最早是由俄羅斯著名學(xué)者、現(xiàn)代航天學(xué)奠基人之一齊奧爾科夫斯基提出的。他提出在地球靜止軌道上設(shè)置一個太空城堡，和地面用一根纜繩連接起來，成為向太空運(yùn)輸人和物的新捷徑。1970年，美國科學(xué)家羅姆·皮爾森進(jìn)一步完善了太空電梯的設(shè)想。

地球靜止軌道高度和在其上面運(yùn)行的航天器的速度，是根據(jù)地球?qū)教炱鳟a(chǎn)生的萬有引力等于航天器運(yùn)行產(chǎn)生的離心力公式和航天器繞地球運(yùn)行一周等于24小時的公式兩者聯(lián)立求解得出的。其結(jié)果是距離地球赤道的高度為35786千米，航天器的速度為每秒3.07千米。地球只有這樣一條位于赤道面上空的軌道。由于在該軌道上的航天器以每秒7.27×10-5弧度的角速度繞地球運(yùn)行，與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，故從地面上看去，好像固定在太空中不動一樣，因此被稱為地球靜止軌道。

建造太空電梯的碳納米管

太空電梯基地可能建在海上

正緣于地球靜止軌道的這種特殊功能，齊奧爾科夫斯基才提出在它上面設(shè)置一個太空城堡，垂放一根纜繩錨在地球赤道上，就可成為通向太空的天梯。這把梯子可以筆直地通向靜止軌道，在無外力影響時它不會彎曲，能成為通往太空的運(yùn)輸線。

1978年，著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他設(shè)想從位于地球靜止軌道上的一顆衛(wèi)星上向下伸展出一個梯子，直達(dá)地球赤道表面，人們即可像乘坐電梯一樣到太空中去游覽觀光并運(yùn)送貨物。當(dāng)時有人問克拉克需要多長時間才能實(shí)現(xiàn)這一夢想，他回答道：“在大家嘲笑的50年后?！睍r間過去21年后的1999年，美國航宇局馬歇爾中心的先進(jìn)辦公室即發(fā)表了《天梯：太空的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施》，標(biāo)志著太空電梯將從幻想走向現(xiàn)實(shí)。

在二三十年前，科學(xué)家普遍認(rèn)為太空電梯的建設(shè)是“不可能完成”的任務(wù)。因?yàn)榘凑债?dāng)時的傳統(tǒng)材料，無論是鋼材還是合金或高分子材料，要建一個幾萬千米高的太空電梯，這電梯的自重太驚人了，底座也大得難以想象。就算這樣的電梯不計(jì)成本地建成了，要建成拉住這樣巨大電梯的衛(wèi)星也不大可能。這個電梯的功率也大得驚人，難以找到如此巨大功率的發(fā)電機(jī)。然而，近十年來，碳納米管這種新材料的出現(xiàn)改變了科學(xué)界的傳統(tǒng)看法，不少科學(xué)家認(rèn)識到用碳納米管可以建成太空電梯，但是仍然因?yàn)槌杀締栴}和技術(shù)問題而難以實(shí)施。最近，日本研究人員鈴木勝山認(rèn)為“時機(jī)已經(jīng)成熟了”，于是正式提出了建設(shè)太空電梯的計(jì)劃，并繪制了草圖。鈴木勝山構(gòu)想的太空電梯的主要材料正是碳納米管。碳納米管具有良好的物理性能，抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。

太空電梯的傳動部位

太空電梯規(guī)模驚人

太空電梯草圖

圓柱形的電梯客艙

2004年6月30日，在華盛頓召開的第三屆國際天梯會議上，專家們對太空電梯這一宏偉構(gòu)想進(jìn)行了探討。時隔僅僅9個月，2005年3月23日，美國航宇局正式宣布太空電梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。以研究太空電梯而著稱的西弗吉尼亞州費(fèi)爾蒙特科學(xué)研究所的布拉德·愛德華茲博士在論文中寫道：“太空電梯可以使人類歷史實(shí)現(xiàn)跳躍性的發(fā)展?！彼J(rèn)為自己構(gòu)想中的初版太空電梯可能在2019年問世，其成本大約為70億～100億美元，與人類其他大型太空壯舉相比，這項(xiàng)費(fèi)用并非太大。

愛德華茲是這樣描述太空電梯的建造過程的：第一步，把一個攜帶太空電梯半成品的飛船或航天飛機(jī)發(fā)射到地球靜止軌道上，使其和地球同步飛行；第二步，把這個半成品的太空電梯從飛船上放下來，落到赤道海面的一個平臺上，這個平臺類似一般的海上發(fā)射衛(wèi)星的平臺；第三步，把半成品的太空電梯錨定在平臺上；第四步，用一個由激光提供能量的爬升器在這個半成品的太空電梯上上下移動，并把更多碳納米合成纖維纜繩擰在太空電梯半成品上，進(jìn)一步完善太空電梯。整個制造過程大約需要兩年半的時間。

按照鈴木勝山的設(shè)想，太空電梯纜線全長為9.6萬千米，是地球到月球距離的四分之一。實(shí)施方法是：在距離地球赤道上空3.6萬千米處發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星，從上垂下一條納米材質(zhì)的電纜，然后安裝升降太空電梯。為了平衡重量，避免這顆衛(wèi)星因電梯太重被拉回地面，在其上還要架設(shè)另外一條電纜。上半部分的電纜懸浮在太空中，以緩解太空電梯承受的地球引力。電梯纜線下端固定在地球赤道表面一個預(yù)定點(diǎn)上，上端系著一個起平衡作用的鉛墜。正因?yàn)槠渖隙讼抵粋€具有一定質(zhì)量的鉛墜，在環(huán)繞地球運(yùn)行過程中能夠產(chǎn)生較大的離心力，故而使太空電梯纜線全長由原本需要的14.4萬千米縮短至9.6萬千米，這是日本太空電梯方案的一大特點(diǎn)。電梯纜線的中間部位即距離地面3.6萬千米處將由之前的靜止衛(wèi)星擴(kuò)建成一個空間站，站內(nèi)將建設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施及居住空間，可供工作人員和旅客駐留。這里是普通旅行者的終點(diǎn)站，而研究人員和專家可以繼續(xù)前行，一直到纜線盡頭?？臻g站周邊設(shè)施將利用太陽能發(fā)電，除供站內(nèi)及電梯用電外，還會向地面輸送電力。本來就有航天專家主張?jiān)陟o止軌道上建設(shè)太陽能發(fā)電站為地面輸送電力，上述措施可以說是一舉兩得。盡管采用了碳納米管，太空電梯的底座也不會太小，為了不占用寶貴的土地資源，太空電梯將建在荒漠或大海上。照顧到乘客的觀景需要和乘坐舒適度，太空電梯的速度初步預(yù)設(shè)為每小時200千米，大概和中國的動車速度差不多。這樣，與時速數(shù)萬千米的太空飛船相比，乘客們就可以慢悠悠地在太空電梯里觀景了。不過，速度一慢，旅行時間勢必加長。按照200千米的平均時速，太空電梯到達(dá)3.6萬千米的終點(diǎn)站需要7.5天，來回一趟正好半個月。如果在終點(diǎn)站逗留幾天，旅行時間就更長了。

風(fēng)景隨高度而變化

一直在空中運(yùn)行，旅程會不會變得很單調(diào)呢？鈴木勝山表示，如果一直盯著窗外看可能會有些單調(diào)，畢竟太空的風(fēng)景變化不會太大，但是在不同的高度，風(fēng)景變化還是很大的。1000千米以內(nèi)的大氣層中看風(fēng)云變幻，到1000千米以外的太空中看日月星辰的變幻，那感受和在低空中完全不一樣。在終點(diǎn)站，乘客可以看到視野中比月球稍大些的地球的全貌。隨著電梯的上升，乘客還可以感受到身體越來越輕，到了終點(diǎn)站就能在電梯里自由漂浮了，這就是失重狀態(tài)。

太空電梯客艙呈圓球形

按照鈴木勝山的構(gòu)想，太空電梯將如同一座小型的太空旅館，劃分為幾個小客艙，觀景、娛樂和休息都主要在客艙內(nèi)進(jìn)行。太空電梯每次可以承載30名乘客，幾名乘客共享一個單獨(dú)的小客艙?？团摾镉卸喾N娛樂設(shè)施，以便打發(fā)較為漫長的太空之旅。當(dāng)然，電梯中也有走廊，大家可以相互串門。

不要以為鈴木勝山的計(jì)劃只是紙面上的設(shè)想，他背后有實(shí)力雄厚的財團(tuán)和公司支持他的計(jì)劃。根據(jù)目前公布的方案，這部太空電梯需要建造40年，預(yù)計(jì)在2050年建成。建成后，乘坐電梯去太空的票價也不會太低，不過要比現(xiàn)在動輒數(shù)千萬美元的私人太空游要廉價得多。鈴木勝山表示，由于現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，未來的建造成本有望比預(yù)計(jì)的低。

俯瞰太空電梯