太空梯的原理 - 电工杂谈 - 电子工程师俱乐部

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作者：郭庆春  来源：嵌入式公社

今天看到一篇新闻，讲美国人设计出一种激光动力太空梯，成功爬升了900米。由于对太空梯的概念不很理解，但有很感兴趣，于是就做了一点研究。可惜，网上的中文资料比较欠缺。不是信息少，而是资料质量很差，看得稀里糊涂的。中文的维基百科也没有太空梯条目。阅读了一下英文条目space elevator，才大致搞清了太空梯的基本原理。看来国人做事还是比较浮躁，都是抄来抄去的，实际上作者也不一定理解太空梯是怎么回事。这里根据自己的理解试着描述一下，错误和欠缺的地方请大家修正、补充。

早在1895年，俄国科学家Konstantin Tsiolkovsky就提出了太空梯的概念，之后各国的科学家不断加以完善。具体过程就不多说了，这里简单介绍一下目前太空梯概念的原理。

太空梯主要由四个部分组成：反重力（或重力平衡）装置（counterweight)、绳索、升降梯和底座。我们通常看到的电梯其实也是由这四部分组成。常规电梯的反重力装置就是建筑物，由它来抵消升降梯的重力，使后者可以沿着绳索向上爬升。当然，对于太空梯来讲，理论上我们也可以修建一座高大的建筑物，高到可以伸向外层空间。但实际上我们无法做到，因为制约因素很多。例如，没有一种建筑材料能承受那么大的压力。

所以，更切合实际的做法就是从天空垂下一条绳索，像直升机垂下绳索拉起货物那样。在这里，直升机就是反重力装置。当然，我们无法在太空放置直升机；那里没有空气，所以也就产生不了升力。那么由什么来充当反重力装置呢？有三种选择：小行星、太空站和绳索本身。

小行星作为反重力装置其实也不太现实。因为地球不断自转，而小行星不会和地球自转同步，所以通向小行星的绳索就不好搭建。另外，因为距离遥远，所以绳索的成本也会很高。如果用太空站的话，那么它的高度应该在同步轨道以外，但速度要和地球自转同步，依靠绳索的拉力使它不至于脱离地球而去。使用绳索本身作为反重力装置的原理与此类似。绳索的另一端要伸向外层空间，它运转产生的离心力抵消本身的重力，而且有一定的冗余来承受升降梯的重力。

底座可以是移动的，比如海上平台；也可以是固定的。两者各有优缺点。最后选择哪种方式还很难说。

绳索是个大问题。目前还没有能够胜任的材料。绳索必须非常轻，而且能承受的拉力要非常大。如果采用碳素材料的话，其抗拉强度要超过100GPa。碳纳米材料的理论抗拉强度为140到177GPa之间，完全可以满足要求。因此，绳索材料问题是有希望解决的，虽然现在还不行。

剩下的问题就是升降梯的动力了。该动力无非通过三种方式提供：无线传输、有线传输和升降梯自备。美国人的激光动力太空梯属于无线动力传输方式，就是通过地面的激光器为升降梯传输能量。有线传输也是有可能的，而且也许成本会更低。因为碳纳米材料本身是导电的，也就是说，绳索本身可以作为能量传输的介质。升降梯自备能量的方式要求能量密度非常高，典型的就是核能。

如果太空梯的方式能够实现的话，向太空运送物体的成本会大幅降低。到那个时候，运载火箭就可以休息了。不过，据说我们还要耐心等待几十年时间。


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2009-11-11 12:29:00 上传
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