太空电梯是靠什么固定的(太空电梯的轨道强度如何)

1、引言

人类永远都不会停止飞天的探索。古时候,有腾云驾雾的神话人物,也有真的坐上了“火箭”的万户。近代,有发明了飞机的莱特兄弟,人类真正飞上了天。上世纪中叶,苏联航天员加加林第一次进入了太空。本世纪初,美国的亚特兰蒂斯航天飞机完成了谢幕之旅,航天飞机正式退出历史舞台。历史发展至今,借助于火箭,是当前人类飞天的唯一途径

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莱特兄弟的飞机

但是,火箭的发射流程复杂,非常繁琐。且次抛毕竟是次抛,总感觉有点浪费。于是,大刘在三体里借鉴了太空电梯。它是这么描述的:

“所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨,与设计中的四条导轨相比,运载能力小许多,但与化学火箭时代已不可同日而语,如果不考虑天梯的建造费用,现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。”(《三体II》第216页)。

试运行时间大概是本世纪的二三十年底,也就是从现在开始的十多年内。这个所谓的初级轨道,其实用缆索描述更合适。

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太空电梯

2、太空电梯的轨道

它肯定是一个柔性的结构,从而可以克服运动的不同步和恶劣天气的影响。由于地球的自转,太空电梯的地面接入端选择赤道更加合适,就像同步卫星一样,保持电梯与地球的同步运动。否则的话,太空段必须持续的有能量输出来维持与地球的同步,这显然是不划算的。大刘设想的天梯三号就位于赤道的海面上,通过海面上的人工浮岛,可以调节太空电梯的位置。

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太空电梯的轨道

另外,大刘为太空电梯的终点站配了一个空间站,作为电梯平衡之用,电梯本身更像是连接两个重物的纽带,承受着拉伸之力。实际上,光一根绳子,是无论如何也甩不出去的,地球转速太慢,24小时才转360°,换算下来角速度大概是7.292e-5rad/s。这么慢的角速度,必须得配有重物,依靠重物绕地球旋转产生的离心力,才有可能把这根缆索轨道拉直

3、轨道的强度问题

由此可见,大刘对太空电梯的设定,还是非常的科学。唯一的问题就是材料,三体为了逻辑自洽,创造出了别名“飞刃”的纳米材料,强度高,密度小。但是,目前人类还没有掌握这种新材料的制作技术。我国掌握的高强度材料,并且已经成功应用的,当属冰丝带屋顶用的高钒密闭索,其强度高达1570MPa。高强度钢丝绳,级别更高的还有很多,但是这个高钒密闭索应该是综合性能最佳的。

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高强度缆索的应用

这样一根钢缆,能否用来做太空电梯的轨道呢?答案是否定的,我们可以计算一下。假设这根钢缆长为h,在距离地面的任意高度位置,存在重力和钢缆绕地球旋转产生的离心力。先看重力,随着高度的增加,重力加速度在减小,表达式是这样的。在地面x的位置,取长dx的钢缆作为分析对象,其重力为ρSdxg,S为横截面积。整段积分后,整根钢缆的重力表达式就出来了。

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分析图

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重力计算

显然,对于这根钢缆来说,最外端是最危险的地方。最外端承受着所有的重力拉扯。由此产生的重力应力表达式就得到了。把强度1570MPa代入后,就得到了钢缆的长度,大概是20.6公里。也就是说,这根高钒密闭索做出的太空天梯,空载情况下,最高也就是20.6公里高。否则,就会被自己的重力扯断。再看离心力,同样可以推出钢缆长度大概是4413公里,是20.6的214多倍。由此可见离心力太小了,主要是地球自转太慢了。20.6公里的高度,连平流层都没出去,更别说什么太空电梯了。

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离心力计算

4、什么材料才合适?

那么到底多少强度的材料,才能用于做太空电梯呢?根据刚刚的推导,保持材料密度不变。那么最低的160公里轨道,要求材料的强度高达11.93GPa,是高钒密闭索的7.5倍。如果要达到空间站的轨道高度,400公里处,要求材料的强度高达28.77GPa,是高钒密闭索的18.32倍。想要把当前高钒密闭索的强度提升这么多倍,可以说是不可能的。除非真的有“飞刃”出现。

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蜘蛛侠的蛛丝

实际上,自然界中确实有一种强度超高的材料——蛛丝。蛛丝的强度高达17.5GPa,是高钒密闭索的11.15倍,但其密度仅为1340kg/m3,约是钢材的1/6,真的是又轻又结实。如果采用蛛丝做太空电梯的轨道,那么空载情况下,轨道长度可达1685公里,远超空间站的400公里。那么,如果太空电梯设计高度400公里,就有足够的余量来承载其他载荷。可惜的是,人类还做不出来人造蛛丝。另一方面,蛛丝也不耐磨,无法真的用于太空电梯。

5、总结

所以,在未来可见的范围之内,人类都因缺乏合适的材料而造不出太空电梯。

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