下一站，太空！

刘敏蔷 杨旭东 王翰雄

Step 1：

拥有一个太空旅行梦

太空承载了人类无数的憧憬和想象。50年前，美国宇航员阿姆斯特朗首次登上月球，引起世人惊叹。我们都知道，现在进入太空的主要工具是运载火箭，它是通过消耗大量燃料来摆脱地球引力的。目前的运载火箭所携带燃料的质量要占到火箭总质量的90%以上。那我们能否建造一个不需要动用大量燃料，可以一劳永逸的太空电梯呢？

早在1895年，太空电梯的概念就由苏联科学家，航天学之父齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）提出。他受当时新建的埃菲尔铁塔的启发，开始认为，如果该塔能够建造到3.6万千米的高度，那么它将直接进入地球静止轨道，因此不需要火箭就可将宇宙飞船送入太空。

虽然太空电梯造价昂贵，但建成之后的运行费用会比运载火箭低两个量级，且可以24小时连续运转。英国的一项测算显示，用太空电梯运送1个人和货物的费用相当于航天飞机运费的0.25%。齐奥尔科夫斯基提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡，和地面用一根缆绳连接起来，然后便可以像电梯一样向太空运输人和物。

知识链接地球静止轨道

地球同步卫星正运行在地球静止轨道上

地球静止轨道是指垂直于赤道上空的地球同步轨道，从宇宙中看，这条轨道和地球赤道就像是一对同心圆。当航天器在该轨道上以每秒7.27×10-5弧度的角速度绕地球运行时，正好与地球自转的角速度相同，故从地面上看去，好像固定在太空中不动一样，因此被称为地球静止轨道。

Step 2：

设计电梯的构造

要组装一个往来于宇宙间的电梯都需要什么零件呢？其实我们可以以普通的电梯为范例来考虑，那么太空电梯主要由4个部分组成，即地面基座、缆绳轨道、载人舱和空间站，布局也与普通电梯相似。

太空電梯组成示意图

基座基本上是在赤道上，前文我们提到过，对于太空电梯最初的设想就是将电梯的另一端设置在地球同步轨道上，因为这样的话，以地球同步卫星（同步卫星都必须在赤道上空）为电梯另一端时，垂下的距离最短，这种叫“固定式”。此外还有人提出“飘移式”，这样基座就无须在赤道上了。

太空电梯的载人舱类似普通的电梯轿厢

缆绳，或许称之为缆带更为合适，因为如今的设计都倾向于使用一条扁长的“缆绳”。由于考虑到受力和节省重量等原因，这条缆带的粗细也会是变化的——在地球同步轨道处，缆带所承受的拉力是最强的，因此缆绳在这里最粗，然后向两端变细。目前大家公认阻挠太空电梯发展的最大因素是缆带的材质问题。

乘坐过山车时不会掉下来是因为产生的离心力

载人舱也就是相当于电梯轿厢的部分。太空电梯毕竟不是传统电梯，从天上垂一根超长的绳子下来把电梯吊上去是不太可能的，因此需要电梯自已想办法爬上去。目前，对于“爬上去”有两种想法：一是在载人舱上装上电动机，但是需要电力，这也会增加载人舱的重量;二是利用光能推动载人舱上升，但这不会是普通的光能够实现的，恐怕需要开发更强的光能。

空间站是必须的，就像你如果只旋转一条绳子的话很难转起来，但在末端加一个小球就很容易了。事实上，理想的太空站不是放在同步卫星轨道上，而是更高一点的位置，这样可以使整条缆绳和太空站的重心正好在地球同步轨道上，因此才不会发生偏离。

Step 3：

克服这些物理难关

太空电梯原理的关键是离心力，实际应用的关键是材料强度。

离心力问题

想想过山车，过山车上升到最高点时，里面的乘客是头朝下的，但不会掉下来，为什么？因为离心力抵消了你受到的重力！

链球运动也是运用了离心力

相似的还有一个有趣而形象的例子：一个人抓住绳子的一端，绳子另一端系着一颗球，他使绳子摆动成一个圆圈（好似投掷链球的前奏）。在绳子靠近他手心的一端，一只蚂蚁沿着绳子爬向系球的一端，只要它不断向前爬，就可以到达那个小球上，而不需要火箭一样的助推力。这就是太空升降机的原理。

我们的脊柱具有很强的承重能力

如果太空电梯的顶端离地球够远，转动的线速度够快，那么天梯的顶端就不会掉下来，反而有可能会被甩出去。我们的太空电梯系统由缆绳连接空间站，然后整个系统通过地球的自转甩起来，在3.6万千米外的太空舱的切向线速度几乎是26.7万千米/天。只要甩得够快，缆绳就会是绷直的，当然此时的缆绳要受到巨大的剪切应力和沿绳的拉伸力。比较理想的情况，就如前面说的，是找到一个合适的高度，使电梯系统受到的离心力略大于重力，这样既可以维持缆绳垂直，又不至于因为离心力太大将电梯甩出去。

缆绳材料问题

建造太空电梯最大的挑战，在于找到制造电梯缆绳的材料。一根普通的钢丝从9千米的高空中垂下来会被自重拉断。3.6万千米外的太空舱的切向线速度约为26.7万千米/天。假使太空舱和20名乘客的质量为12000千克，那么忽略掉缆绳的质量，缆绳的拉力估计有25万牛顿的力。此外由于高速运动的物体在通过大气层时会由于摩擦生热，所以在设计太空电梯的过程中，还要充分考虑到使用耐高温、高强度的材料。

而碳纳米管的发现，让人们燃起了希望。碳纳米管的柔韧性强、质量轻，细小且强度可与金刚石媲美，并且可制成纤维。据测算，一根宽1米、薄如纸的纳米管缆带，能支撑13噸的重量。

2014年9月，美国科学家、宾夕法尼亚州立大学的化学教授约翰·巴丁研发出超细、超坚固的纳米线，他说“我们的纳米线就像是一个由尺寸最小的钻石串成的微型项链，其中一个最疯狂的梦想就是将其用于制造超级坚固的轻型绳索，让打造太空电梯的梦想成为现实。”

碳纳米管可能是太空电梯成为现实的关键

2018年，清华大学的研究团队研发了一种高强度的纤维。他们用仅1立方厘米的碳纳米管制成的纤维就能承受160头大象（超过 800 吨）的重量且不会断裂，而这根小小的缆绳仅重1.6克。碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形分子，这些碳原子连接成六边形，直径仅为1 纳米。其抗拉强度是已知任何材料中最高的，理论上高达 300千兆帕斯卡。

知识链接从我们的身上寻找太空电梯的解决方案

约翰斯·霍普金斯大学的数学家丹·普佩斯库和机械工程师肖恩·孙提出，只要建造者能够从生物身上取经，细致评估相关风险，同时制造一批自主维修机器人，我们完全有可能在不久的将来建造一部太空电梯。他之所以这么认为，是因为生物身上有着比人造工程更加精密的结构，例如人体跟腱和脊柱可以承受非常接近于自身抗拉强度的应力，远远超过工程师允许的钢材受力极限。其主要原因在于，跟腱和脊椎至少在一定程度上拥有自我修复能力。

希望未来通过科学家和工程师们的设想、论证和实践，随着太空电梯这一技术的完善，我们能够安全地进入外太空。回望一眼蓝色的星球，这应该是一种令人兴奋不已的体验！

（责任编辑/陈莹 美术编辑/张小穗）