【材制 | 视角】未来已来——科幻中的太空电梯能走进现实吗?
初原载于 爱学习的 青春材制
2023-03-03
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太空电梯·奔赴浩瀚宇宙
AROUND THE PLANET
未来已来？
——科幻中的太空电梯能走进现实吗？
Vol.01
✦科幻电影中的太空电梯✦
随着春节档大片《流浪地球2》的大火，一些充满想象力的科幻设定让人着迷，其中就包括了那座“人类迄今为止最高的建筑——太空电梯”。
在电影的设定中，太空电梯大致由三部分组成，包括位于地球赤道海洋中的地基、为太空电梯提供轨道的缆绳以及最上方巨大的空间站。从空间站垂下一根根缆绳，直接将其连接到海洋上的巨型平台，在缆绳上，装有一个个的“电梯”，这些电梯承担着来回运送货物以及宇航员的重任，通过太空电梯可以迅速便捷，以最大的效率帮助人类建立起巨型的太空建筑，并将其作为人类向宇宙出发的中转站。
在电影的描述中，太空电梯的推进方式是火箭推动，以此达到10个g的加速度，将电梯推进到三千万米的高空。而其返回的方式而是利用“冰盾”，利用水结成冰在电梯上形成一层“保护罩”，当温度很低时，冰的硬度甚至可以超越钢铁，使用这种冰盾才能保护太空电梯安全返回。
Vol.02
✦太空电梯的理论基础✦
或许太空电梯在许多人眼中是十分神秘且难以置信的，但实际上太空电梯所蕴含的基本物理原理并不深奥，太空电梯的设想在很早的时候就被提出了，但始终碍于一些技术的限制始终无法实现。
早在1895年,俄罗斯火箭专家与航天先驱齐奥尔科夫斯基在参观法国巴黎的埃菲尔铁塔时,就受到铁塔建设的启发,提出在地面上建设一座直抵地球同步轨道的超高型铁塔,以架设电梯的方式实现进入外层空间。他还对这种铁塔作了详细设计,并计算出塔的高度为35786公里。
35768公里，这个数字并不是空穴来风，这是地球静止轨道的高度，即在赤道的上方，空间站的角速度与地球自转角速度相同，在赤道上的人看起来，空间站是完全静止的，只有这样，才能具备电梯的条件——即相对于地表静止。
空间站初始位于地球静止轨道上，保持着与地球自转速度相同的角速度，放下几段长且高强度的缆绳，并将其与地面的基站连接，将电梯接入缆绳。这同时也会导致太空电梯的整体重心下移，因此，空间站需要适当上移，保持太空电梯的整体重心位于地球静止轨道上。
对于电梯的上升方式目前而言有以下几种，如电影中利用燃料推进，或者采用电磁驱动的方式，亦或是利用缆绳拉拽，甚至有人提出可以让太空电梯自己攀爬缆绳。在这几种可选择的方式中，为了提高能量的利用率，减少运输成本，使用传统的燃料推动似乎并不是一个很好的选择。因此，选择其他的一些现今尚未成熟的方式是更有可能的选择。
而电梯下降过程中如何降温也是很重要的一环，目前在航天领域中用到的是一次性隔热瓦，这种材料成本大且只能使用一次，因此在以节约为要求的太空电梯中这种材料不太适合于太空电梯，此时在电影中的“冰盾”便成为可实现的设想。
在基于绝对节点坐标法的环形局部空间电梯系统动力学分析一文中研究了环形局部多电梯运输系统的动力学行为。为我们提供了太空电梯的可行性分析，简单来说，多电梯系统较单电梯稳定。
Vol.03
✦制造太空电梯的材料✦
有相关资料表明，太空电梯的缆绳是目前而言最难实现的，因为缆绳实际并不是静止的状态，而是在随着同步卫星一起以地球自转的角速度高速转动，所需的巨大向心力可能会超过材料的抗拉极限，导致缆绳自己把自己甩断。接下来我们可以进行一个并不准确的计算：在地心参考系中，可以将缆绳简化成圆柱状，密度是ρ，横截面是S，一端固定于地球同步卫星，另一端固定于赤道海上基地。考虑在同步卫星轨道附近的一小段缆绳，不考虑各种额外的载重，它受到的拉力可以这样计算：
其中R为地球半径,l为地球同步轨道高度,G为万有引力常量,Me为地球的质量，由这个公式，代入不同材料的密度，便能解出该材料所需要承受的拉力。若将钢的密度代入，得到钢需要承受的最大应力为，而实际上钢的承受力只有。目前看来，世界上最符合此要求的是碳纳米管，其是用碳原子制成的管状纳米结构，具有极高的强度，厚度则只有1个原子层。这种材料可以满足上述需求，或许可以成为太空电梯的解决方案。
Vol.04
✦发展现状及前景✦
似乎胜利的曙光就在前方，但以上都是基于理论模型，实际中还有很多需要考虑的问题：无论是空间站的建造，还是缆绳的材料，还是电梯的推进方式，都是需要经过种种设计才能完成的。同时，如何保证电梯厢体有足够的动力支持，可以一直从地面升到太空站？如果升到一半的时候，太空电梯的动力系统突然失灵，如何维修？如何让太空电梯自动躲避太空碎片和一些可能撞上来的卫星……因此，“太空电梯”的发展道路可谓是任重而道远。
“飞上太空，探索宇宙”自古以来便是全人类共同的梦想，古往今来，无数科学家前仆后继，让人类的科技水平上升到了一个又一个新的高度。不断突破性能极限、不断突破材料极限、不断突破物理极限……人类的发展总是在挑战中突破，在突破中将幻想变为现实。相信未来的某一天，那部“天梯”定会刺破长空冲出地表，奔向浩瀚宇宙。正如习近平主席所说“构建人类命运共同体”，那时候太空电梯应当是全人类的财富，也一定会是人类未来走向宇宙最重要的建造，它是人类智慧的结晶，是各国科学家共同探索的结果，也是人类科技史的一个重要里程碑！
【参考文献】
[1]段然. 太空电梯:是科幻狂想还是未来科技？[N]. 北京科技报,2022-12-19(016).
[2]梁天.纳米科技畅想 从清除肿瘤到太空电梯[J].计算机与网络,2017,43(15):17.
[3]涂佳煜. 这些硬核科技，能实现吗[N]. 浙江日报,2023-02-03(008).
[4]李佳维. 基于绝对节点坐标法的环形局部空间电梯系统动力学分析[D].南京理工大学,2021.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2021.000910.
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