太空電梯

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太陽能發電衛星功能的概念圖

空间电梯英语Space elevator),又稱軌道電梯,由於頂部直達外太空,所以又名天梯,是一种低成本将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。

歷史[编辑]

空间电梯的概念最初出现在1895年,但是甚至就在几年前,它还仅仅只是一种科学幻想,因为找不到一种合适的材料来制造足够强度的缆绳。随着近年纳米技术取得的突破性进展,建造一部现实的空间电梯已经成为可能,预计其建造成本约100亿美元,远少于国际空间站航天飞机计划的投资。

技術[编辑]

種類[编辑]

靜止型的概念圖
靜止型
平衡锤的方式,以離心力抵消總體重量,但平衡锤必需放置於同步轨道之上。
落下的力量依重力與高度:g  = -G \cdot M/r^2
由於地球的自轉向上的離心力隨高度的增加 :a  = \omega^2 \cdot r
因此相反方向兩者的力量總合為 :   g  = -G \cdot M/r^2 + \omega^2 \cdot r
其中
g 是落下的力量 (m s−2),
a 是離心力 (m s−2),
G引力常數 (m3 s−2 kg−1)
M 是地球質量(公斤)
r 是從該點到地球中心的距離(公尺)
ω 是地球的轉動速度(弧度/秒)
導出公式:r_1 = (G \cdot M/\omega^2)^{1/3}
因此計算出同步轨道在離地心高度約35,786 km處。
高速移動型
又稱「極音速天鉤英语Skyhook (structure)」,這是美國航太工程師Robert Zubrin英语Robert Zubrin於1993年發表的,低設置高度,結構體下端在離地高度約100公里處,持續以10-15馬赫高速飛行以維持高度。相較於靜止型需要先運送一定質量的平衡锤到太空,高速移動型具有更低的建造成本。

組件[编辑]

这个方案旨在建造一部称作空间电梯的运输工具。空间电梯由几个部分组成:

  • 平衡锤:平衡锤是一个比较重的物体,放置于同步轨道上方。
  • 缆绳:缆绳是一条十分长且结实的绳子,上粗下细,用于连接地面与平衡锤。
  • 货舱:货舱用于装载货物,它可以顺着缆绳在空间和近地端基地之间上下移动。
  • 近地端基地:由於受到氣候的影響,不便設置於對流層以下,不然會受到颱風下雨影響到設備的下墜的力量。

材料[编辑]

奈米碳管是可行的材料之一

对于建造在地球上的空间电梯,平衡锤需要位于距离地面約3.6万公里上空,使用3.6万公里长的缆绳与地面连接。

这种缆绳必须十分结实,起初被亞瑟·查理斯·克拉克,於其小說《天堂與噴泉》中建議由單晶材料建造,但其不宜在地球重力下大量生產,但後來發明的碳纳米管也可以胜任。包括平衡锤和缆绳的质心位于地球同步轨道的高度,同时为了保证整个装置固定,地面基站通常建造在赤道附近,同时应该尽量选择商业飞行较少的区域,以避免飞机与缆绳或货舱相撞,同时缆绳和货舱还必须能够抵御来自风和闪电的袭击。

对于建造在月球上的空间电梯,要求相比地球要低,因为月球重力较小,且没有大气因素影响,自转速度较慢,且为同步自转。这种条件下,平衡锤可以建造在月球和地球的引力中点,即月球的拉格朗日點上。

類似或配套設計[编辑]

空间电梯並不是唯一非火箭航天发射方案,其他的方案可以和空间电梯組成一個完整的登天系統。

出現太空电梯的科幻作品[编辑]

計畫[编辑]

2012年二月日本大林建設公司宣佈以100億美元建設太空電梯,時速200公里,單程需7天,預計2050年落成。[1]

參考資料[编辑]

外部链接[编辑]