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“太空电梯”到底可不可行

2020-07-14 09:17:32 来源:


2019年8月25日,一篇上传到论文预印本arXiv网站的文章表示,“太空电梯”在技术上和经济上具备可行性,大约只需要10亿美元成本,就可以打造这样一部“月球太空电梯”。

“太空电梯”的概念一直只存在于想象和文学作品中,是个很完美的科幻概念,人类火箭之父齐奥尔科夫斯基早些年代就已经提出了这个美好的设想:普通人能像乘坐电梯一样,借助一根连接天地的绳缆,自由且低成本往返太空。

然而,“太空电梯”到底可不可行?

这篇论文设想,由于月球的相对运动,线缆无法固定在地球表面,所以电缆一头固定在月球上,另一头指向地球上方,可能位于距离地球上空接近同步轨道的高度上,这里是绝大多数通讯卫星所在地:围绕地球自转速度恰好等于地球一天,因而相对地面而言静止或同步。这个方案跟此前“太空电梯”必须将重心放在地球同步轨道上的设定有所区别。但这就意味着一系列新问题。例如,文章并未 考虑从月球开始建设的运输费用成本。阿波罗登月计划时期,共计消耗了约2000亿美元,仅运输了6次任务、总重不到100吨物资抵达月球表面。而如果建立一个从月球到地球附近、长达30余万千米的大型稳定结构,势必意味着月球端巨大的建设消耗。

此外,靠近地球的这一端很难保持位置稳定。在这个高度,即便是一颗采用离子电推进的通信卫星,依然要持续不断工作以对抗地球非严格球形引力摄动、太阳光压、地球反照压、日月金木火等星体引力等影响,工作寿命仅在10年左右。而对于这么大型的结构,势必无法控制,甚至是地球附近最宝贵的地球静止轨道上所有卫星的潜在灾难。

而按照设想,载荷需要先发射到靠近地球这一端,再通过太阳能缓慢移动到月球附近。先不评价靠效率如此低的太阳能走完连光速都需要1秒的距离(30万千米,地球赤道7.5圈)需要多久,单纯发射到地球静止轨道的费用就让人震惊。目前人类到达这个轨道的通信卫星最重约7吨,但代价是数亿美元的花费。实现跟一个完全无控的巨大钢缆对接难度更是不可估量。即便是距离地球上空几百千米的、两个可控航天器空间交会对接任务,全世界能掌握的国家也寥寥无几!

论文中还提到,最简单版的Spaceline线缆可能不会超过88000磅,并不需要非用碳基材料不可,Kevlar或其他现有材料制成就可以完成。然而,这并不现实。

因为被绷紧的缆绳需要承受巨大的应力,可行的材料仍然是碳基材料。即便是碳纳米管,它的长径比也在1000:1级别,对比“太空电梯”的超长缆绳要求依然不够。当长度为30万千米时,宽度会达到多么不可思议的级别!

不仅强度问题,绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球或月球运动速度不同,受到的切向应力也大不相同,人类尚无一种灵活的材料能实现这些要求。

这不禁让人想起另一个更接近真实情况的“太空电梯”:2018年9月14日,日本宇宙航空研发机构JAXA将在种子岛太空中心用H-IIB火箭发射第七艘前往国际空间站的货运飞船HTV-7,这是现役世界第一重的货运飞船,可达16.5吨。不过显然它并没有多少读者注意,反而被一个“世界首个‘太空电梯’即将发射”的新闻抢了头条。

它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯,这已经是STARS实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称,它真正的功能并非如此,真相如下:
HTV夹带的货物

日本已经执行了多次国际空间站的货运任务,且JAXA拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。HTV可以运送重达6.2吨的货物,远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨,在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次HTV-7任务就额外携带了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三个技术验证卫星。

系留卫星

STARS系列任务都用来验证一种空间应用的技术:系留卫星,或者系绳卫星。它的原理是通过用绳缆从母卫星释放一颗子卫星、或者双星进行伴飞,能自由释放、收回并重复使用,实现各种科学和工程研究目标,先后有香川大学、静冈大学等参与。

STARS的特色在于低成本的微小卫星编队:两颗微小、犹如魔方大小(10厘米边长的1U立方形)的卫星通过一根10米的细钢缆相连。这次的STARS-Me任务之所以叫做迷你电梯,是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动,视觉上有一种“电梯”的效果,因而得名,但可以确定的是这跟“太空电梯”的理念毫无关系。

中间的“电梯厢”带有蓝牙功能,能够通过其中一颗卫星与地面通信,也会出现在两颗卫星的互拍中。它也能够在绳缆上缓慢移动,作为测试任务的额外标的,也能验证双星+滑块的技术可行性,从这个角度的确是世界首例,但更科学的叫法应该叫做滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务,跟大家想象中的“黑科技”相距甚远。

宣传作用

谷歌著名的X实验室,曾经研究过“太空电梯”的可行性,最终宣布放弃,因为它的技术难度“远远超过了人类现有技术水平”。更何况,人类航天已经愈发成熟,随着可回收运载器和航天器的快速研发,尤其是商业航天的加入,航天成本也在迅速降低,太空电梯最吸引人的“价格优势”并不存在。(来源:科普中国)

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