太空梯

1978，克拉克創作出了包攬星雲，雨果兩大科幻文學獎項，而其中最閃亮的主角就是太空梯。“如果空間的物體能夠保持與地面的相對靜止，那么為什麼不能從這個物體上方下一條纜索，用它把宇宙連結起來。”—阿瑟·C·克拉克，1978

基本介紹

• 中文名：太空梯
• 提出時間：1978年
• 提出人：克拉克
• 支持單位：國宇航局

產品簡介

太空梯通常指的是從地球表面延伸到對地同步軌道的位置，形象的說，就是打造一條永久的“纜繩”。利用“彈弓效應”，太空梯可以幫助完成在太空進行的建造項目，同時也可用於發射衛星和太空旅行。

根據太空梯的構想，美宇航局以及競賽舉辦方——“飛向太空基金會”已經有了一個藍圖。他們所謂的太空梯，是將一個細長輕薄的帶狀提升系統拴在一個類似於船錨的平衡錘上，在地球軌道之外保持相對平衡。

系統特徵

這個太空梯位於地球的底座要能夠提供20噸的拉力拽住平衡錘。沿著帶狀提升系統上升的電動提升台被稱作攀升者，它的動力來自太陽能板或者地面雷射轉化的電能。太空梯從地球向地球軌道運輸貨物的同時，還應該具備將貨物直接送到月球軌道或是地球軌道逃逸(離開地球軌道)的地方。另外在運輸的過程中，還要考慮到太空垃圾碎片的威脅，這將通過控制平衡錘的位置移動太空梯躲避太空垃圾。

太空梯的基本重量大約是1500噸(包括平衡錘)，每天都可以將15噸的貨物輕易運輸到地球之外。帶狀提升系統長約10萬公里，寬約1米，但要薄如一張紙，其製作材料應該是納米碳管合成材料。

目前“飛向太空基金會”獲得美國宇航局40萬美元（約310萬人民幣）的贊助資金。基金會初步估計，未來數年可完成原型設計，太空梯的梯艙則需多花10年時間，預計15年後便可坐上“太空梯”達到太空。科學家還構想，將來地球表面2.2萬英里外的太空，將建成太空酒店，讓太空旅客輕輕鬆鬆一睹宇宙奇觀。科學家預測，同樣科技可讓人類踏足月球，以至太陽系其他行星。

但與此同時，“太空梯”也存在不少技術問題需要解決，比如如何避免飛機撞上升降機纜索。有科學家表示，在地球近赤道位置興建浮動基地，保持飛機航線逾400英里的距離。

美國一家私營公司向修建太空梯這一遠大目標邁出了一小步：LiftPort集團已經成功地完成了機器爬升器試驗。這是一個新穎的硬體，可以沿著一條系在高空氣球上的長帶子爬上爬下。

這次試驗是在2005年9月20日秘密進行的。這次試驗被認為是為將來利用太空梯在地球與太空之間運送貨物所進行的先驅性試驗。未來的太空梯是用一條超強的納米碳管合成繩從地球一直向太空伸展10萬公里。太空梯將被安裝在太平洋赤道上的一個海面平台上，在太空中的另一端，合成繩系在一個很小的平衡錘上。機械升降機，也就是機器人升降車，將沿著這條合成繩升降，將衛星以及太陽能系統等送入太空，最終可以把人送入太空。

實驗結果：一個叫“達摩克利斯之劍”的機器人升降機能爬305米。

這次試驗使用了一個直徑12英尺（4米）的氣球，一個小組成員抓緊安全繩以防氣球飛走，從氣球上懸下來的繩子是用合成玻璃纖維製作，機器人升降機沿著繩子升降。試驗那天，氣球、合成繩和機器人這個“三合一”系統爬升了1000英尺，也就是305米。LiftPort集團公司總裁說“我們可以用氦氣球升到一英里的高空，我們還要進行一個系統試驗，隨著我們對通信系統、射程感測器、全球定位系統衛星工具以及氣溫和攝像系統等進行試驗，我們會達到我們想要的高度。”

雖然說在太空梯的建造過程中還有許多難題沒解決，然而我們相信在不久的未來這一構想一定會成功。

太空梯——全球九個規模最大工程之一

簡單地說，這項工程目的是把去往太空的人類征程帶到新的高度——準確進入軌道。太空人和貨物將不再需要依靠笨重的太空梭到達太空工作站，藉助太空梯進入太空廉價又安全。雖然一些專家表示，太空梯至少在未來10年內無法實現，但大膽而熱情的發明家們已經在探索如何將這一偉大抱負變成現實的方法了。與此同時，這項技術對那些希望紮根地球長久一點的人來說可能會產生一個額外的好處：高速無線網際網路接入。

設計方案

1978年，著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他構想從位於地球靜止軌道上的一顆衛星上向下伸展出一個梯子，直達地球赤道表面，人們即可像乘坐電梯一樣到太空中去遊覽觀光並運送貨物。當時有人問克拉克需要多長時間才能實現這一夢想，他回答道：“在受大家嘲笑的50年後。”21年後的1999年，美國宇航局馬歇爾中心的先進辦公室即發表了《天梯:太空的先進基礎設施》一文，標誌著天梯將從幻想走向現實。

2004年6月30日，在華盛頓召開的第三屆國際天梯會議上，專家們對天梯這一宏偉構想進行了探討。時隔僅僅9個月，2005年3月23日，美國宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀挑戰的首選項目。以研究天梯而著稱的西維吉尼亞州費爾蒙特科學研究所的布拉德·愛德華茲博士在論文中寫道：“天梯可以使人類歷史實現跳躍性的發展。”他認為自己構想中的初版天梯可能在2019年問世，其成本大約為70—100億美元，與人類其他大型太空工程相比，這項費用並不算太大。

愛德華茲是這樣描述天梯的建造過程的：第一步，把一個攜帶天梯半成品的飛船或太空梭發射到地球靜止軌道上，使其和地球同步飛行；第二步，把這個半成品的天梯從飛船上放下來，落到赤道海面的一個平台上，這個平台類似一般的海上發射衛星的平台；第三步，把半成品的天梯錨定在平台上；第四步，用一個由雷射提供能量的爬升器在這個半成品的天梯上上下移動，並把更多碳納米合成纖維纜繩擰在天梯半成品上，進一步完成天梯。整個製造過程大約需要兩年半的時間。另外，根據專家構想，天梯也可由電磁能驅動。建成後的這個天梯猶如一條上下垂直的高速公路，爬升器可沿著它把成噸重的物資或人，緩緩運送到離地面約3.6萬公里高的地球靜止軌道上，用時約需7.5天，回來也需要同樣長的時間。

為了建造天梯，首先必須找到製造纜繩所需要的既異常堅硬輕巧又能抵抗任何腐蝕的材料。1991年，日本科學家發明了碳納米管，這種材料雖比鋼輕6倍，但韌度要比鋼高出幾百倍，問題是生產成本太高。2004年，英國劍橋大學科學家阿蘭·溫德爾領導的研究小組曾宣布，他們成功地用納米碳管組成的纖維織成了“納米繩”。因納米碳管的直徑是一根頭髮直徑的1/5000，其剛度是鋼材的10倍，其硬度是金剛石的兩倍，故而由它們構成的“納米繩”雖然很細，但剛度和硬度都很大。他們認為，由於這種繩子製造成本低廉還不污染環境，將來可用於建造太空天梯。

至於海面平台位置的選擇要儘可能避開飛機航班和輪船航線，也不能位於颶風駭浪經常發生的地方。當然，天梯還要有抵禦閃電和風雲雨雪的衝擊、穿越電離層時的傷害、流星奔襲、高層大氣中硫酸的侵蝕以及來自太空垃圾的撞擊的能力。

工程高度

當太空飛行器如飛船、衛星或太空梭在地球靜止軌道上以每秒3.07公里的速度運行時，其產生的離心力正好與離地球赤道約3.6萬公里高度上的地球引力相等，兩種力達到平衡狀態，故而太空飛行器不會掉下來。若從太空飛行器如飛船上伸展纜繩到地球赤道海面上組成一個天梯，那么受力狀態就發生了變化，最終情況也就不一樣了。太空飛行器圍繞地球飛行而掉不下來的速度是隨著距離地面的高度而變化的。軌道高度越低，地球引力就越大，所需要的飛行環繞速度也就越大，反之亦然。如果天梯上每一點線速度所產生的離心力都小於當地的地球引力的話，就無法與地球引力相平衡，最終整個天梯將會受到一個巨大的向下作用的合力。在此力的作用下，天梯將在繞地球旋轉的同時逐漸降低高度，最後結果只能是連同飛船一塊回落到地面上。

如何才能防止天梯掉下來呢？辦法就是從地球靜止軌道的飛船上再向上建造一個上天梯，使其產生的離心力合力能夠平衡下天梯受到的地球引力的合力。上天梯的受力情況正好與下天梯相反。它上面每一點獲得的線速度都大於當地需要的環繞速度，所產生的離心力都大於當地的離心力。沿著上天梯向上走，點的位置越高，線速度越大，產生的離心力隨之增大，而地球引力卻越來越小。這就使上天梯受到一個向上的合力。當這個向上的合力與下天梯受到的向下的合力相等時，整個天梯就能懸在太空以與地球自轉相同的速度旋轉而掉不下來。根據羅姆·皮爾森的精確計算，當上天梯的高度為10.8萬公里時，向上的合力就與35786公里長的下天梯受到的向下的合力相平衡了，這樣總高度為14.3786萬公里的整個天梯就不會墜地了。由於上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整個天梯就像兩頭受拉的纜繩一樣，被繃得緊緊的，不會彎曲，即使受到某種擾動發生彎曲，也能自動恢復到直線狀態。同時，受地球重力梯度的作用，天梯能始終保持垂直地面的方向。有鑒於此，建造太空天梯時，上、下天梯必須同步進行，以便使其任何時候所受到的向上和向下的兩個力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成這項人類歷史上空前的宏偉工程。

目前，建造太空天梯遇到的最大困難是資金不足。在各界人士的幫助下，2002年，愛德華茲博士在西雅圖開辦了高梯系統公司，已籌集到了幾千萬美元的資金，美國宇航局和國會也已分別撥款50萬和250萬美元以示贊助和支持。這使有關天梯建設的研究工作得以逐步開展。至於何時開始建造太空天梯，將由資金籌集情況和美宇航局的決心而定，人們只能拭目以待。不言而喻，太空天梯一旦建成，就可晝夜不停地開展運輸工作，把旅遊者和貨物送入太空，並大大降低運送費用。目前火箭發射或太空梭運送每公斤有效載荷約需2萬美元，而太空天梯運送每公斤物品僅需10美元，從而能夠推動空間技術實現跨越式發展。