美國“天梯”工程將于多久完工？

【專家解說】：差不多要10年　    添加新圖片天梯，又譯空間電梯，是一種低成本將有效載荷從地球或其它星球的表面運(yùn)輸?shù)娇臻g的解決方案。這個方案旨在建造一部稱作天梯的運(yùn)輸工具。 　　對于建造在地球上的天梯，平衡錘需要位于距離地面至少3.6萬千米上空，使用3.6萬千米長的纜繩與地面連接。這種纜繩必須十分結(jié)實(shí)，目前已經(jīng)的材料中，只有碳納米管可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質(zhì)心位于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(yīng)該盡量選擇商業(yè)飛行較少的區(qū)域，以避免飛機(jī)與纜繩或貨艙相撞，同時纜繩和貨艙還必須能夠抵御來自風(fēng)和閃電的襲擊。對于建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因?yàn)樵虑蛑亓^小，且沒有大氣因素影響，自轉(zhuǎn)速度較慢，且為同步自轉(zhuǎn)。這種條件下，平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點(diǎn)，即月球的拉格朗日點(diǎn)上。天梯的概念最初出現(xiàn)在1895年，但是甚至就在幾年前，它還僅僅只是一種科學(xué)幻想，因?yàn)檎也坏揭环N合適的材料來制造足夠強(qiáng)度的纜繩。隨著近年納米技術(shù)取得的突破性進(jìn)展，建造一部現(xiàn)實(shí)的天梯已經(jīng)成為可能，預(yù)計其建造成本約100億美元，遠(yuǎn)少于超過國際空間站或航天飛機(jī)計劃的投資。 組成 　　平衡錘：平衡錘是一個比較重的物體，放置于同步軌道上方。 　　纜繩：纜繩是一條十分長且結(jié)實(shí)的繩子，上粗下細(xì)，用于連接地面與平衡錘。 　　貨艙：貨艙用于裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和地面之間上下移動。 　　地面基站：地面基站用于將纜繩固定在地面上，并為貨艙的移動提供能源，能量通過激光傳送到貨艙。 核心部件 　　    天梯概念藝術(shù)圖天梯的核心部件將是碳納米管合成纜繩，它只有幾厘米寬，幾乎只有一張紙那么厚。碳納米管發(fā)現(xiàn)于1991年，它的發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家認(rèn)為天梯是能夠建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·愛德華茲（Bradley Edwards）博士稱，“以前，找到合適的材料難度太大了。但現(xiàn)在，我們離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)越來越近，因?yàn)樵谥圃焯技{米管和有效的拉絲機(jī)方面都取得了進(jìn)展，這種拉絲機(jī)能將制作伸向太空的纜繩所需的材料拉得足夠長?！?　　碳納米管在強(qiáng)度上可能會比鋼高100倍，但卻像塑料一樣柔韌。碳納米管之所以會有如此高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗鼈兙哂蓄愃朴谧闱虻莫?dú)特結(jié)構(gòu)。一旦科學(xué)家們能夠用碳納米管制成纖維，那么就有可能制作出形成天梯纜繩所需的細(xì)絲。以前考慮的材料要么是強(qiáng)度不夠，要么是不夠柔韌，無法制成纜繩，而且易斷。 　　太空電梯公司的研究主管湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“這種材料具有非常高的彈性模量，并且它們的抗張強(qiáng)度也非常高，而且，理論上使天梯相對容易建造的所有材料特性，這種材料都具備了?！?　　有兩種方法可以制作纜繩： 　　用數(shù)米或更長的長碳納米管編成類似繩子的結(jié)構(gòu)。截至2005年，最長的納米管也只有幾厘米長。 　　可以將較短的納米管置入到聚合物基中。目前的聚合物與碳納米管之間結(jié)合得不夠緊密，因而在拉緊時會將基質(zhì)拉離碳納米管。 　　一旦制作出長碳納米管纜繩，就會將它纏成一個軸狀物發(fā)射到軌道中。當(dāng)太空船載著這個軸狀物飛至特定高度（可能是近地軌道）時，它就會開始將這個軸狀物散開，使纜繩落回到地球上。同時，這個軸狀物會繼續(xù)向上運(yùn)動到更高的高度。當(dāng)纜繩落入地球的大氣層時，就會有相應(yīng)的裝置捕捉到它并使它繼續(xù)下落，最后將它錨定到海洋中的一個移動平臺上。這條纜繩有點(diǎn)像鐵軌，將用作進(jìn)入太空的航線。這樣，就可以用機(jī)械升降機(jī)順著這條纜繩上升到太空中。 使用 　　    升降機(jī)盡管纜繩仍是一個處在概念階段的部件，但天梯的所有其他部件均可以利用現(xiàn)有的技術(shù)制造出來，這些部件包括機(jī)械升降機(jī)、錨站和光束動力系統(tǒng)。到纜繩制造出來時，其他部件也差不多都準(zhǔn)備好了，在2018年左右即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射。 　　升降機(jī) 　　機(jī)械升降機(jī)將順著纜繩升入太空。升降機(jī)上的滾輪夾緊纜繩，滾輪胎面與纜繩之間的摩擦力往下拉繩索，這樣，摩擦力產(chǎn)生的反作用就會使升降機(jī)得以順著天梯向上攀爬。 　　錨站 　　    錨定平臺天梯的下端將連在赤道附近的太平洋海域中的一個移動平臺上，該平臺將纜繩錨定在地球上。 　　平衡站 　　纜繩的最頂端將有一個很重的平衡站。在早期的天梯計劃中，曾考慮捕捉一顆小行星并將它用作平衡站。但是，在太空電梯公司和科學(xué)研究所（ISR）最近關(guān)于天梯的計劃中，多數(shù)還是考慮使用人造平衡站。實(shí)際上，可以將用來制造纜繩的設(shè)備（包括用來發(fā)射纜繩的太空船）組裝成平衡站。 　　動力光束 　　升降機(jī)將利用位于錨站或錨站附近的自由電子激光系統(tǒng)來提供動力。ISR稱，這種激光會將2.4兆瓦特的能量傳送給附著在升降機(jī)上的光電池，這種光電池可能由砷化鎵（GaAs）制成，然后光電池可以將這些能量轉(zhuǎn)化成電能以供傳統(tǒng)的鈮磁直流電電動機(jī)使用。 　　一旦投入使用，升降機(jī)幾乎每天都可以在天梯上往返運(yùn)動。升降機(jī)的大小各異，最初為5噸，最大可達(dá)20噸。20噸重的升降機(jī)的有效載荷可達(dá)13噸，其內(nèi)部有900立方米的空間。升降機(jī)將以約190公里/小時的速度順著纜繩向上運(yùn)載貨物，所運(yùn)貨物從人造衛(wèi)星到太陽能電池板，五花八門，最后它還將載人上天。 保持正常運(yùn)轉(zhuǎn) 　　位于100,000公里的高空中時，天梯將很容易遭到包括天氣、空間碎片和恐怖分子在內(nèi)的許多危險因素的破壞。隨著天梯從計劃階段走向設(shè)計階段，開發(fā)人員開始考慮這些危險因素及相應(yīng)的克服辦法。實(shí)際上，為了確保始終都有可以使用的天梯，開發(fā)人員計劃建造多個天梯。從第一個天梯開始，后續(xù)天梯的建造成本將依次遞減。第一個天梯將用作其他天梯的建造平臺。開發(fā)人員通過這樣做來確保在某一個天梯遇到問題的情況下，其他天梯仍能繼續(xù)向太空運(yùn)送人員和物資。 　　避開空間碎片 　　與空間站或宇宙飛船一樣，天梯將需要具備避開碎片、人造衛(wèi)星等軌道物體的能力。錨定平臺將采取主動回避措施來保護(hù)天梯免遭此類物體的破壞。目前，北美防空司令部（NORAD）所跟蹤物體的大小都在10厘米以上。保護(hù)天梯需要配備軌道碎片跟蹤系統(tǒng)，它能夠探測到大小為1厘米左右的物體。目前正在為其他空間計劃開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。 　　“我們的計劃是將纜繩錨定到海洋中的一個移動平臺上，”太空電梯公司的湯姆·紐金特（Tom Nugent）說，“實(shí)際上你可以來回移動錨定點(diǎn)的位置，從而將纜繩拉離人造衛(wèi)星的航道?！?　　防御攻擊 　　將天梯置于偏遠(yuǎn)位置將是降低恐怖分子攻擊風(fēng)險的最佳方法。舉例來說，第一個錨定點(diǎn)將位于赤道附近的太平洋海域，與任何空中航線或海洋航線的距離至少為650公里，這是太空電梯公司透露的信息。任何攻擊都只能威脅到天梯的一小部分裝置，即15公里處及以下的所有裝置。此外，天梯將是十分寶貴的全球資源，可能會受到美國及其他國家/地區(qū)軍隊(duì)的保護(hù)。 研究進(jìn)展 　　    太陽景觀的概念藝術(shù)圖天梯對全球帶來的潛在影響力堪與另一項(xiàng)偉大的運(yùn)輸成就美國洲際鐵路相媲美。這條洲際鐵路于1869年在美國猶他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次連通了美國的東海岸和西海岸，加快了美國西進(jìn)運(yùn)動的進(jìn)程。這條鐵路建成后，橫貫全美的旅行只需幾天就可以完成，而在此之前則需數(shù)月。它還開拓了新的市場，諸多全新的產(chǎn)業(yè)皆因它而興起。到1893年，美國已建成五條洲際鐵路。 　　天梯這一想法與洲際鐵路有許多相通之處。天梯將開創(chuàng)地球與太空之間永恒的連通之門，這道門永遠(yuǎn)都不會關(guān)閉。雖然它不會加快太空之行的速度，卻能使太空與地球之間的往來更為頻繁，并將開創(chuàng)一個嶄新的發(fā)展時代。天梯的建成將大大降低向太空運(yùn)送貨物的成本，或許這就是促成天梯這一想法的最大動力。盡管天梯的升降機(jī)比采用化學(xué)推進(jìn)的宇宙飛船慢，但這種升降機(jī)卻將每公斤的發(fā)射成本從22000到44000美元降到900美元左右。 　　據(jù)“天梯——NIAC第二階段最終研究報告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·愛德華茲透露，目前估算的天梯建造成本為60億美元，法律法規(guī)方面的費(fèi)用為40億美元（愛德華茲就是布拉德利·卡爾·愛德華茲博士，他是“碳設(shè)計”（Carbon Designs）公司的總裁和創(chuàng)始人。）。相比之下，1971年預(yù)測的宇宙飛船計劃的成本為52億美元，但最終卻耗費(fèi)了195億美元。此外，宇宙飛船每飛行一次都要耗費(fèi)5億美元，這一數(shù)字超過當(dāng)初估算的50多倍。 　　天梯可能會取代宇宙飛船成為主要的航天器，并將用于人造衛(wèi)星部署、國防、旅游和其他開發(fā)。再往后，太空船將順著天梯的纜繩攀升至太空中，然后再朝向其主目標(biāo)發(fā)射。這種發(fā)射方式所需的燃料更少，因?yàn)樗∠铝瞬捎脗鹘y(tǒng)方式發(fā)射時沖出地球大氣層所需要的部分燃料。有些設(shè)計人員還認(rèn)為，天梯可以建在包括火星在內(nèi)的其他行星上。 　　NASA曾資助愛德華茲博士的研究長達(dá)三年。但在2005年，它僅給研究天梯的各家公司提供了2800萬美元的獎金。盡管它仍然非常關(guān)注這一計劃，但眼下它更愿意靜觀其變，等待出現(xiàn)更為實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。