通往太空的電梯

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活越來(lái)越便利，機(jī)械化的程度越來(lái)越高。只要是稍高一點(diǎn)的樓層都會(huì)安裝電梯，電梯在城市中隨處可見(jiàn)，節(jié)省了我們上下樓梯的時(shí)間和體力。

隨著人們對(duì)太空探索需求的加大，我們經(jīng)常使用運(yùn)載火箭。不過(guò)，運(yùn)載火箭的花銷(xiāo)巨大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果在太空建造一個(gè)電梯，就會(huì)方便得多了，而且太空電梯不僅可以運(yùn)輸貨物，說(shuō)不定還可以帶人類去太空觀光。

實(shí)際上，早在19世紀(jì)末期，前蘇聯(lián)的科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基就提出了這個(gè)想法。后來(lái)，俄羅斯和美國(guó)也都對(duì)太空電梯進(jìn)行了探索和研究?，F(xiàn)在，日本的科學(xué)家們正式開(kāi)始進(jìn)行太空電梯的試驗(yàn)，并計(jì)劃到2050年，實(shí)現(xiàn)太空電梯這一暢想。

如何建造太空電梯？

太空電梯由五部分組成：基座、纜繩、電梯艙、空間站和平衡錘。

太空電梯的建造原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，它結(jié)合了萬(wàn)有引力和圓周運(yùn)動(dòng)。我們小時(shí)候大概都干過(guò)這樣的事，用繩子拴著一個(gè)重物（可能是石頭或者沙袋），拉著繩子轉(zhuǎn)，如果速度足夠快的話，重物就不會(huì)掉下來(lái)。

建造太空電梯時(shí)，纜繩的一端連接地球赤道上的基座，有固定式（固定在地表上）和漂移式（海上大型平臺(tái)或平流層中的飛行平臺(tái)）兩種選擇。繩子的另一端是位于地球靜止軌道的空間站。在地球靜止軌道上，空間站的角速度和地球自轉(zhuǎn)的角速度相等（與地球同步），即空間站相對(duì)地球靜止;衛(wèi)星所受的向心力等于地球?qū)λ奈?，空間站既不飛離地球，也不落回地球上，纜繩就被固定下來(lái)了。

地球靜止軌道的高度是固定的，為赤道上空約3.6萬(wàn)千米。實(shí)際上，為了保證整條纜繩加太空站的穩(wěn)定，整個(gè)體系的重心要放在地球靜止軌道上，但纜繩本身具有一定的重量，所以我們要加一個(gè)重物，放在整個(gè)體系的后方，即它的位置高于空間站（地球靜止軌道高度），這個(gè)重物被稱為平衡錘。

雖然建造太空電梯的設(shè)想已出現(xiàn)了近百年，它的原理也很簡(jiǎn)單，但是卻一直沒(méi)有真的實(shí)現(xiàn)，建造的關(guān)鍵就在纜線身上。

建造的難題

建造長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)千米的太空電梯纜線所用的材料必須非常輕盈、非常結(jié)實(shí)，材料成本也很便宜才行。人類技術(shù)發(fā)展至今日，能達(dá)到如此標(biāo)準(zhǔn)的材料屈指可數(shù)，最有希望的材料是碳納米管。按照現(xiàn)在的技術(shù)，我們可能需要700萬(wàn)千克的碳納米管來(lái)制造電梯纜線。

然而還是有兩個(gè)問(wèn)題：一是現(xiàn)在的技術(shù)無(wú)法制造出那么多的碳納米管電纜;二是材料還不夠輕。而且，纜線材料還需要面對(duì)宇宙輻射、大氣腐蝕、太空垃圾等，這些都是在建造太空電梯時(shí)需要解決的問(wèn)題。

另外，研究人員還需解決電梯升降的動(dòng)力問(wèn)題。我們無(wú)法用電提供升降艙所需的能量，因?yàn)殚L(zhǎng)度的關(guān)系，整個(gè)導(dǎo)線電阻巨大。對(duì)此，有人提出了用激光發(fā)射助推的方法。在升降艙的底部安裝太陽(yáng)能板，然后在地面上用激光照射它，用激光提供能量，但是電梯升的越高，抵達(dá)的光線就越少。與此同時(shí)，太陽(yáng)的光線會(huì)隨著高度增加越來(lái)越強(qiáng)，所以，在升降艙添加一些朝上的太陽(yáng)能板會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。

微型電梯探路

2007年，日本設(shè)立了“太空電梯協(xié)會(huì)”，同時(shí)展開(kāi)對(duì)太空電梯的研究。按照他們的設(shè)計(jì)，太空電梯的纜線長(zhǎng)度約9.6萬(wàn)千米。相當(dāng)于地球到月球距離的四分之一。為了達(dá)到最終的目標(biāo)，研究人員開(kāi)始進(jìn)行階段性的試驗(yàn)。

2018年9月22日，隨著一聲巨響，H-IIB型運(yùn)載火箭（日本大型運(yùn)載火箭）從地面升空，開(kāi)始了為期5天的國(guó)際空間站之旅。該火箭攜帶了兩顆邊長(zhǎng)為10厘米的小型立方體衛(wèi)星，兩顆衛(wèi)星間通過(guò)一根10米長(zhǎng)的鋼纜連接。在纜繩上，研究人員將嘗試?yán)秒姍C(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)模擬電梯升降艙的盒子，使其在纜繩上來(lái)回移動(dòng)。

當(dāng)微型電梯在兩顆衛(wèi)星之間移動(dòng)時(shí)，會(huì)向科學(xué)家提供有關(guān)鋼纜受力的重要信息。該試驗(yàn)還將揭示電梯與鋼纜之間的相互作用，這樣科學(xué)家們就可以設(shè)計(jì)出更好的可乘坐電梯。通過(guò)藍(lán)牙，微型電梯會(huì)不斷向其中一顆衛(wèi)星發(fā)送它的位置和電纜狀況的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星再將這些數(shù)據(jù)傳輸給地球上的科學(xué)家。

太空物流線

如果有一天太空電梯成為現(xiàn)實(shí)，它將是一種比火箭便宜得多的太空運(yùn)輸工具。目前運(yùn)載火箭總重的90%是燃料，5%是船體，最后的5%才是宇航員、衛(wèi)星和其他有效的載荷。與消耗的大量燃料相比，有效的載荷太少了，火箭的效率太低。目前的行情是：每運(yùn)送1千克載荷進(jìn)入太空就要花費(fèi)2萬(wàn)美元。太空電梯就不同了，升降艙可以在下降時(shí)回收上升過(guò)程所積累的能量（勢(shì)能），而且可以借助太陽(yáng)能提供動(dòng)力。因此，它的效率遠(yuǎn)比火箭高。

現(xiàn)在我們?cè)诎l(fā)射飛船時(shí)，火箭需要提供動(dòng)力，好讓飛船獲得擺脫地球引力的速度。由于太空電梯是同步繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此只要將飛船運(yùn)送到空間站，輕輕放出，飛船就會(huì)獲得擺脫地球引力的速度。太空電梯一旦建成，將有效解決火箭發(fā)射成本高的問(wèn)題。

另外，據(jù)日本的研究人員介紹，他們計(jì)劃設(shè)計(jì)的電梯艙可以在7.5天內(nèi)以200千米/小時(shí)的速度將30名乘客運(yùn)送到距地球3.5萬(wàn)千米的空間站。而且由于太空電梯的成本較低，普通人也可以到空間站，觀看太空景色。