太空電梯

附太陽能發電衛星功能的概念圖

太空電梯英語:Space elevator),又稱軌道電梯,由於頂部直達外太空,所以又名天梯,是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到太空的解決方案。

歷史

太空電梯的概念最初出現在1895年,由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出。但是甚至就在幾年前,它還僅僅只是一種科學幻想,因為找不到一種合適的材料來製造足夠強度的纜繩。隨著近年奈米技術取得的突破性進展,建造一部現實的太空電梯已經成為可能,預計其建造成本約100億美元,遠少於國際太空站太空梭計劃的投資。

技術

種類

 
靜止型的概念圖
靜止型
以平衡錘的方式,以離心力抵消總體重量,但平衡錘必需放置於同步軌道之上。
落下的力量依重力與高度: 
由於地球的自轉向上的離心力隨高度的增加: 
因此相反方向兩者的力量總合為: 
其中
g是落下的力量(m s−2),
a是離心力(m s−2),
G是引力常數(m3 s−2 kg−1
M是地球質量(公斤)
r是從該點到地球中心的距離(公尺)
ω是地球的轉動速度(弧度/秒)
導出公式: 
因此計算出同步軌道在離地心高度約35,786 km處。
高速移動型
又稱「極音速天鉤英語Skyhook (structure)」,這是美國航太工程師Robert Zubrin英語Robert Zubrin於1993年發表的,低設置高度,結構體下端在離地高度約100公里處,持續以10-15馬赫高速飛行以維持高度。相較於靜止型需要先運送一定質量的平衡錘到太空,高速移動型具有更低的建造成本。

組件

這個方案旨在建造一部稱作太空電梯的運輸工具。太空電梯由幾個部分組成:

  • 平衡錘:平衡錘是一個比較重的物體,放置於同步軌道上方。
  • 纜繩:纜繩是一條十分長且結實的繩子,上粗下細,用於連接地面與平衡錘。
  • 貨艙:貨艙用於裝載貨物,它可以順著纜繩在太空和近地端基地之間上下移動。
  • 近地端基地:由於受到氣候的影響,不便設置於對流層以下,不然會受到颱風或下雨影響到設備的下墜的力量。

材料

 
奈米碳管是可行的材料之一

對於建造在地球上的太空電梯,平衡錘需要位於距離地面約3.6萬公里上空,使用3.6萬公里長的纜繩與地面連接。

這種纜繩必須十分結實,起初被亞瑟·查理斯·克拉克,於其小說《天堂之泉英語The Fountains of Paradise》中建議由單晶材料建造,但其不宜在地球重力下大量生產,但後來發明的碳奈米管也可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質心位於地球同步軌道的高度,同時為了保證整個裝置固定,地面基站通常建造在赤道附近,同時應該儘量選擇商業飛行較少的區域,以避免飛機與纜繩或貨艙相撞,同時纜繩和貨艙還必須能夠抵禦來自風和閃電的襲擊。

對於建造在月球上的太空電梯,要求相比地球要低,因為月球重力較小,且沒有大氣因素影響,自轉速度較慢,且為同步自轉。這種條件下,平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點,即月球的拉格朗日點上。

類似或配套設計

太空電梯並不是唯一非火箭航天發射方案,其他的方案可以和太空電梯組成一個完整的登天系統。

計畫

  • 2012年2月:日本大林建設公司宣布以100億美元建設太空電梯,時速200公里,單程需7天,預計2050年落成。[1][2]
  • Google X的研究項目

參考資料

外部連結