瘾科学：太空电梯

由 Andy Yang 于 3 years 之前发表

文章分类: 精彩杂录

「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）

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。

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。

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。

只是不知道在小姜的有生之年，有没有坐太空电梯一览太空的机会？

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读者回应 (第 1 页 / 共 2 页)

中立

Satan_L5 @ Oct 1st 2008 3:04AM

多啦A梦也有.™

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中立

Satan_L5 @ Oct 1st 2008 3:06AM

等把这个搭好估计我们都得死十代人了.™

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中立

Ganky @ Oct 1st 2008 3:13AM

反正我们是没机会看到的了

推

Satan_L5 @ Oct 1st 2008 3:29AM

就算看到也没那体力上去了,还没出大气层就怕挂了,压力控制很麻烦的.™

中立

Unknown @ Oct 1st 2008 7:27AM

不明白压力控制有什么麻烦的，从人类首次进入太空到现在四十多年来，压力控制已经是非常成熟的技术了。

中立

Satan_L5 @ Oct 1st 2008 10:56AM

心理压力,一般人没有恐高症估计也会恐高,还要培训,麻烦.™

中立

Unknown @ Oct 2nd 2008 3:33AM

什么心理压力？难道做航班之前航空公司还对你进行心理辅导？拜托给点正常人的智商好不好？

中立

bao Yiyang @ Oct 1st 2008 3:22AM

电梯上去的时候，反作用力不会把太空站拉下来？

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中立

forcey @ Oct 1st 2008 4:02AM

把太空站放到同步轨道的外圈，再让他和同步轨道转速一样
就可以给绳子提供张力了

中立

Unknown @ Oct 1st 2008 7:25AM

如果学过高中物理的话，就可以用动量冲量定理做简单的计算来进行估计。事实上是只要太空站质量够大，飞行速度够快，就能产生足够的离心力克服电梯舱带来的拉力。

中立

dodge @ Oct 1st 2008 4:34AM

这样的设计成本太高，维护起来也很麻烦，更为要命的是给恐怖分子提供了又一个绝佳的攻击目标。

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中立

Unknown @ Oct 1st 2008 7:29AM

恐怖分子攻击大型国际机场要比攻击这种设施容易的多，造成的伤亡和影响也大的多。

中立

Unknown @ Oct 1st 2008 7:32AM

如果以每次运输成本计算的话，太空电梯的运输成本要比航天飞机或者宇宙飞船便宜的多，太空电梯的特点是不可变成本高，第一次建设需要投入很多资金，但是建成后每次发射太空舱进入太空的成本就微乎其微了，只要发射次数够多，平均下来的成本就会很低了。当初想用航天飞机代替宇宙飞船也是出于这种成本的考虑，但限于当时技术的水平，实际操作航天飞机的成本并没有降低太多。

中立