“太空电梯”或只是梦想

2018/10/11 科技日报 205

中秋前夕,一则“世界首个太空电梯即将发射”的消息出现在许多媒体上,难道乘“太空电梯”登月的梦想真要实现了吗?其实,事情的由头是本月23日发射的日本宇宙航空研发机构jaxa货运飞船htv-7,它在种子岛太空中心用h-iib火箭发射前往国际空间站,这是现役世界第一重的货运飞船,可达16.5吨。

一次常规太空发射被“太空电梯”抢了眼球,那么,真实情况到底如何?所谓“太空电梯”又是否具有可行性?

这一次“太空电梯”到底是什么

太空电梯是个很完美的科幻概念,早在19世纪末期,人类火箭之父齐奥尔科夫斯基就已经提出了这个美好的设想:普通人能像乘坐电梯一样,借助一根连接天地的绳缆,自由且低成本往返太空。

那么,这一次被许多媒体炒作的所谓“太空电梯”到底是什么?其实它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯(简称stars-me),这已经是stars实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称,它真正的功能并非如此,真相如下。

日本已经执行了六次国际空间站的货运任务,且jaxa拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。htv可以运送重达6.2吨的货物,远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨,在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次htv-7任务就额外携带了stars-me,spatium-i和rsp-00三个技术验证卫星。

stars系列任务都用来验证一种空间应用的技术:系留卫星或者系绳卫星。它的原理是通过绳缆从母卫星释放一颗子卫星,或者双星进行伴飞,能自由释放、收回并重复使用,实现各种科学和工程研究目标,先后有香川大学、静冈大学等参与。

stars的特色在于低成本的微小卫星编队:两颗微小、犹如魔方大小(10厘米边长的立方形)的卫星通过一根约10米的细钢缆相连。这次的任务之所以叫作迷你电梯,是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动,视觉上有一种“电梯”的效果,因而得名,但可以确定的是这跟太空电梯的理念毫无关系。

stars-me任务由静冈大学主要负责研发。毕竟只是两个卫星加在一起几千克的极小任务,它的真实作用还是基本的技术验证和教育教学,主要用于通过无线电信号接收辅助判断卫星状态:两颗卫星都能直接与地面通信,它们之间的距离和姿态会导致信号接收出现细微的偏差,在地面的接收站可以通过两股信号的多普勒频移、比特率、信噪比对比等反推这个小型编队的姿态和距离信息。

中间的“电梯厢”(6×3×3厘米尺寸,比鸡蛋还小)带有蓝牙功能,能够通过其中一颗卫星与地面通信,也会出现在两颗卫星的互拍中。它能够在绳缆上缓慢移动,作为测试任务的额外标的,也能验证双星+滑块的技术可行性,从这个角度的确是世界首例,但它更科学的叫法应该是滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务。

毫无疑问,太空电梯是个大大的噱头,引发了全世界关注,也引出了每个新闻稿里都会出现的大林组建设公司。作为日本最大的房地产企业,大林组建造了日本无数的摩天大楼,太空电梯概念一直以来是他们宣传的重要方向。部分资助这么一个大学里的小型科研项目并不昂贵,却收获了万千读者的关注,可谓是一次成功的品牌曝光。

太空电梯确曾有很多设想和努力

相比而言,人类的现有航天运载器往往存在着造价过高的问题,理论上讲长期运送效率并不高。例如,人类历史上运送能力最强的火箭是土星五号,它可以把接近140吨货物运送到近地轨道,但造价却高达惊人的12亿美元(换算成今日美元价格)。而如果建成太空电梯,这个价格可以节省数百倍。即便是高昂的太空电梯建造价格,比起陆地火箭发射场的昂贵建设价格也不见得处于劣势。

相比复杂的航天发射系统,太空电梯可以简单至仅需支撑结构、货/客箱、平衡锤和绳缆结构。要保证整条太空电梯系统的重心处在与地球自转完全同步的点上,才能实现基本稳定。这个点就是地球同步轨道、高达35786千米:在这里围绕地球一周的时间恰好是24小时,电梯因而可以保持固定形状和周期。

如果太空电梯能够做成,无疑将极大改变人类航天历史,普通人也将会有一览太空风景的机会。这项技术甚至可以广泛应用到人类开发月球、火星甚至更远的世界,因而曾有无数科研项目与此相关。

1959年,苏联航天专家阿特苏塔诺夫曾经提出,首先发射一颗卫星到达35786千米高的地球同步轨道,在使用平衡锤的情况下,可以从卫星上释放一条绳索经过数月抵达地球表面并建立一条太空电梯。然而,以当时的技术根本不可能有足够好的材料建造,要知道即便是这个长度的风筝线也需要数千吨,更何况是平衡锤,这个量级至少翻倍。无论当时还是今日,人类的航天能力都远不能发射如此重的载荷。

1966年,著名的《科学》杂志有一篇论文:根据太空电梯的设想研究其对材料的需求。后来发现即便是当时已知的最强材料——石墨、石英、金刚石——全部各项指标融合在一起,都远无法保证太空电梯的强度需求,更何况当时并没有任何一种技术能够加工出如此的材料,关于太空电梯的热情便告一段落。

1990年,随着碳纳米管的研究出现突破,美国国家航空航天局曾经在马歇尔空间中心组织了一次研讨会论证这种新型材料的应用潜力,其中一项便是建造太空电梯的可能性。不过这个研讨会无疾而终,因为科学家们经过分析还是认为现实技术距离需求差得太远了。

2000年,nasa资助了科学家爱德华关于太空电梯的预研项目,他提出建造一种长达10万千米的碳纳米管结构绳索太空电梯,同时做出了大量工程设计,例如防御对流层天气、高层带电粒子等,相比此前有了很大突破,例如降低了对材料的应力需求。然而后来发现还是不具有可行性,工程和技术无法实现,最终该项目黯然退场。

随着商业航天和新材料技术的发展,也有很多公司重新研究起了太空电梯的可行性,几乎每一年都有新的太空电梯设计方案竞赛。其中集大成者是著名互联网公司谷歌神秘的x实验室,继续尝试攻克碳纳米管构建长距离绳索的可能性,然而在投入不明数量的资金后发现,人类现有技术连建造一根仅1米长的绳索都无法满足,最终完全放弃了太空电梯的梦想。

太空电梯设想困难重重难克服

综合来看,“太空电梯”的设想虽然美好,但实际上几乎是不可行的,面临着各种无法克服的障碍,比如:

为保证重心在地球同步轨道,在这个轨道外侧(超过地球静止轨道)需要配比一个质量巨大的平衡锤,重量需达到万吨级别。人类目前最强大的火箭仅能运送10-15吨级别载荷到此轨道;

电梯运行期间会受到各种摄动干扰,为保持重心稳定需要对这个巨大的平衡锤进行灵活控制,它的质量已经远超人类能控制的航天器极限——国际空间站(420吨);

被绷紧的缆绳需要承受巨大的应力,人类现有最强材料碳纳米管有一定应用可能,但它仅是实验室中存在的材料,无法量产,科学家们只能制造出极微量的实验品,且花费是天价;

即便是碳纳米管,它的长径比也在1000:1级别(对比普通材料20:1已有极大提升),对比太空电梯的超长缆绳要求依然不够;

不仅强度问题,绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球运动速度不同,受到的切向应力也大不相同,人类尚无一种灵活的材料能满足这些要求;

地球大气干扰巨大。大气包含对流层、平流层、中间层、电离层等,对流层有风雨雷电,平流层有横向风,中间层有剧烈温度梯度和对流,电离层有高能粒子和磁暴等人类完全未知的空间天气现象;

电梯厢并不简单。航天中但凡从无人变成载人,都意味着成本陡增,人是所有航天探索中最脆弱的环节。太空电梯要进入太空,面临复杂的大气环境和宇宙辐射环境,电梯的防护要极端严格,而这无疑需要一个巨大的电梯厢,进而要求增大绳缆的应力、强度、尺寸,形成无解死循环。

所以说,“太空电梯”设想虽然美好,但基本上没有什么可行性,与其把目光放在这样的噱头上,还不如踏踏实实把精力放在开发现实可行的航天技术上。

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