青少年科普知识枕边书:航天知识全知道-人造“天梯”
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    1910年,灿德尔提出了一种空间升降机的设计方案,用一根近6万公里长的绳子从月球伸到地球,人们可以沿这条绳子运送货物,就像用索道运送货物一样;1978年,著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他设想从位于地球静止轨道上的一颗卫星上向下伸展出一个梯子,直达地球赤道表面,人们即可像乘坐电梯一样到太空中去游览观光并运送货物;21年后的1999年,美国宇航局发表了《天梯:太空的先进基础设施》一文,标志着“天梯”将从幻想走向现实。

    2004年6月30日,在华盛顿召开的第三届国际天梯会议上,专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。时隔仅仅9个月,2005年3月23日,美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。以研究天梯而著称的美国科学家爱德华兹在论文中写道:“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。”他认为自己构想中的初版天梯可能在2019年问世,其成本大约为70亿—100亿美元,与人类其他大型太空工程相比,这项费用并不算太高。

    爱德华兹是这样描述天梯的建造过程的:第一步,把一个携带天梯半成品的飞船或航天飞机发射到地球静止轨道上,使其和地球同步飞行;第二步,把这个半成品的天梯从飞船上放下来,落到赤道海面的一个平台上,这个平台类似一般的海上发射卫星的平台;第三步,把半成品的天梯锚定在平台上;第四步,用一个由激光提供能量的爬升器在这个半成品的天梯上上下移动,并把更多“缆绳”拧在天梯半成品上,进一步完成天梯。

    计划是制订出来了,可用什么材料来制造既要异常坚硬又要特别轻巧,而且还能抵抗所有腐蚀的“缆绳”呢?1991年,日本科学家发明了纳米碳管,这种材料的重量虽然是钢的六分之一,但韧度要比钢高出几百倍,问题是生产成本太高。2004年,英国科学家宣布,他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成了“纳米绳”。因纳米碳管的直径是一根头发直径的1/5000,其刚度是钢材的10倍,其硬度是金刚石的两倍,所以“纳米绳”虽然很细,但刚度和硬度都很大,将来可用于建造太空天梯。

    我们知道,航天器围绕地球飞行而掉不下来的速度是随着距离地面的高度而变化的。轨道高度越低,地球引力就越大,所需要的飞行环绕速度也就越大,反之亦然。如果天梯上每一点线速度所产生的离心力都小于当地的地球引力的话,就无法与地球引力相平衡,最终整个天梯只能是连同飞船一块回落到地面上。如何才能防止天梯掉下来呢?办法就是从地球静止轨道的飞船上再向上建造一个上天梯,使其产生的离心力合力能够平衡下天梯受到的地球引力的合力。上天梯的受力情况正好与下天梯相反。它上面每一点获得的线速度都大于当地需要的环绕速度,所产生的离心力都大于当地的离心力。沿着上天梯向上走,点的位置越高,线速度越大,产生的离心力随之增大,而地球引力却越来越小。这就使上天梯受到一个向上的合力。当这个向上的合力与下天梯受到的向下的合力相等时,整个天梯就能悬在太空,以与地球自转相同的速度旋转,而掉不下来了。

    美国宇航局预计完成“天梯”将需要50年时间,目前已经有科学家开始考虑怎样避免在乘客搭乘这座未来“电梯”时受到太空辐射的伤害。据估计,太空天梯运送一公斤物品升上太空仅需10美元,而目前运载火箭或航天飞机运送一公斤有效载荷约需1万美元。不言而喻,太空天梯一旦建成,就可以昼夜不停地开展运输工作,把旅游者和货物源源不断地送上太空了。

    知识链接

    根据专家设想,太空天梯也可由电磁能驱动。建成后的这个天梯犹如一条上下垂直的高速公路,爬升器可沿着它把成吨重的物资或乘客缓缓运送到离地面约3.6万公里高的地球静止轨道上,用时约需7.5天。

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