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太空电梯

太空电梯

太空电梯是一种无需使用火箭即可将物体从地球表面提升到外太空的概念性航天运输手段。其建造实现方式是使用一根非常坚固的线缆，从地球表面延伸到地球同步静止轨道35786公里的高度，并使这条线缆所受引力与绕地球同步自转所需的向心力相等，从而使线缆保持张力并固定在地球上的一个位置上。然后使用者从地面就可以将有效载荷连接到这条线缆上，并通过机械方式将载荷提升到太空。

太空电梯的概念来自125年多来多位专家的贡献。1895年，俄国航天理论先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首先提出了一座太空高塔的想法。1959年，苏联科学家尤里·阿尔苏塔诺夫提出了拉伸结构的想法，即利用地球同步轨道(GEO)中的卫星向地球发送系绳，将任务载荷拉进太空。1966年四位美国科学家在《科学》杂志上发表了一篇关于他们的“天钩”的论文。1975年美国人杰罗姆·皮尔逊发表了他的“轨道塔”概念。1979年，亚瑟·克拉克在他的科幻小说《天堂之泉》中将这一概念传播给了更多的受众。

太空电梯的最大技术限制来自于对材料提出的极高性能要求，其抗拉强度需要达到100GPa。可能需要的材料包括碳纳米管和碳纳米线，但是其加工难度极高，生产出连续的、长达上万公里的碳纳米材料依然是无法做到的。此外层空间电梯轨道配重也是另一大难点。方法包括在太空电梯的顶点建造一个巨型空间站或者直接捕获一个小行星。

太空电梯的优势包括有可能大幅度降低发射成本，促进近地空间的开发。从地面到地球同步轨道的空中电梯是一个潜在的太空大规模运输系统，创建一个完整的内太阳系运输基础设施，减少对火箭系统的使用。同时为地球输送电力，减少环境污染。但是太空电梯也面临巨大成本、材料科学、外太空垃圾等环境威胁等方面的挑战。

概念发展

原始设想

将从地球表面建造一座塔楼，来通往太空、天空或天堂的想法，可以追溯到人类最早的手稿。公元前6世纪摩西的著作《创世纪》中，提到在公元前2100年左右古代美索不达米亚的巴比伦城，曾经试图用砖和沥青建造一座通向天堂的塔楼——巴别塔，该书第28章还提到雅各梦见了一座通向天堂的楼梯或阶梯，通常被称为雅各梯。

1895年俄罗斯人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了手稿《关于地球和天空以及关于维斯塔的思考》，其中就首次提出了太空电梯的概念。他在这一系列手稿中的第38篇中，想象了一个特殊的高塔，这一高塔顶部和底部细长如纺锤，不接触地表，而是从地球同步轨道延伸到地面，其重力与离心力保持平衡。这就是最原始的太空电梯的概念。但齐奥尔科夫斯基撰写这些概念，是一种带有科幻色彩的思维实验，是通过想象来讨论各种重力现象，而不是实际的工程设想。齐奥尔科夫斯基在手稿中也承认建造这样的高塔是不可能的。

早期方案

宇宙铁路

1960年7月31日苏联的《共青团真理报》上，刊登了圣彼得堡的一位名叫尤里·N·阿尔茨塔诺夫的年轻工程专业学生提出的一种更可行的建造太空电梯的方案。阿尔茨塔诺夫称现有火箭进入太空的效率太低，而且充满危险。而他设计了一种“宇宙铁路”的概念，即从地球同步卫星上使用石墨纤维等超强材料制作的缆绳降至地球表面，同时缆绳的另一端从同步卫星向远离地球的方向延伸，连接配重的物体。

这样整个缆绳的中心相对于地球保持静止。而配重的物体实际是在超过地球同步轨道的60000公里的太空站，乘客在地面乘坐电磁场驱动的火车，沿着缆绳前往60000公里高的太空站。阿尔茨塔诺夫称这根缆绳是地面细，而太空的顶端最粗，因为要承受巨大的离心力。阿尔茨塔诺夫被后人视为太空电梯的两位独立创始人之一，尽管他的想法缺乏任何数学精确处理，但包含足够的概念细节。尽管如此，阿尔茨塔诺夫当时刊登文章后却没有得到足够的关注。

轨道塔

1975年，美国航空航天局（NASA）和空军研究实验室的航天工程师杰罗姆·皮尔逊在《宇航学》杂志发表了一篇题为《轨道塔：利用地球旋转能量的宇宙飞船发射器》的文章，成为太空电梯进入科学界乃至全世界的权威文章，也是第一篇数学上详细阐述太空电梯设计原理，具有科学和工程意义的文章。皮尔逊通过详细计算认为。太空电梯的平衡配重不应该在60000公里高的太空，而是更高的144,000公里处。

甚至在他的计算中，如果能制造14万公里长的缆绳，就不需要真正的平衡配重块，因为线的长度和质量以及离心力足以保持整个结构的稳定。而在14万公里长的缆绳末端，任何一个物体仅靠地球旋转的离心力，就具有抵达火星和土星的逃逸速度。杰罗姆·皮尔逊还指出制造这种超长缆绳的材料是某种完美的石墨晶体。这种材料强度极高，同步轨道高度的缆绳直径仅比地表缆绳直径大10倍。皮尔逊计算要建造一个底部横截面面积为50平方厘米、锥度比为10的轨道塔所需的材料重量，将需要一架航天飞机进行约24,000次飞行，这架航天飞机的有效载荷是美国航天飞机的30倍。

其他

除了康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、阿尔茨塔诺夫和皮尔逊，还有一些人也提出过类似太空电梯的概念。例如在1966年，约翰·伊萨克斯等四位美国工程师联合发表论文，讨论过建造太空电梯所需的材料类型，认为其强度需要达到任何现有材料的两倍以上。1967年，苏联科学家弗拉基米尔·列夫在《科学》杂志上发表了一封长篇详细信件，称阿尔茨塔诺夫在1960年提出了“天堂索道”的想法。1999年美国航空航天局（NASA）专家大卫·斯密瑟曼编制了关于太空电梯概念的详细研究报告，并得出结论认为这种廉价的进入地球同步轨道的交通方式可能在21世纪后期成为现实，并大幅降低进入太空的成本。2003年另一位美国科学家布拉德利·爱德华兹提出了使用长达100,000公里碳纳米管建造太空电梯的想法。爱德华兹预计太空电梯能将发射到轨道的成本将降低到预计的每千克100美元左右。2009年皮特·斯旺和大卫·雷特组织了一项详细研究，评估潜在太空电梯的现代设计和应用。在为期四年的研究中，来自世界各地的约四十位专家研究了相关问题，分析了这种独特的交通基础设施的合理性。他们认为太空电梯建成后，更合理的发射价格将为每公斤500美元左右。

基本原理

重力和离心力平衡

传统的类似高塔的结构，不可能实现太空电梯这类建筑，因为塔的底部没有足够的强度来支撑其余结构的重量。因此更可行的太空电梯是一种通过各种力互相支撑达到平衡的结构，也就是太空电梯的重力和太空电梯绕地球旋转的离心力取得平衡。通过计算发现，要维持一个太空电梯平衡的状态，这个电梯系统的质心应该位于地球同步轨道的高度。提高质心的手段就是增加配重或者大幅度延长系统的长度。

长度和质量

太空天梯的结构上，在处于地球同步轨道高度的的部分，重力和离心力相等，因此两端的张力也必须相等以实现平衡。对于低于地球同步高度的结构，重力超过离心力，因此为了实现平衡，电梯的结构张力从地面到地球同步高度的高度而增加；对于高于地球同步高度的结构，重力小于离心力，因此电梯结构张力从地球同步高度到最顶端应该逐步减少。因此这个太空电梯的结构就是地面张力为零，在地球同步高度达到最大值，然后在顶端再次降至零。由此可以算出要达到这样一个状态，太空电梯的长度应该是144000公里。如果这个电梯由钢制成，其密度为每立方米7900公斤，最大应力达到382 GPa，超过了钢的抗拉强度60多倍。

如果使用碳纳米管作为太空电梯的缆索，假设其密度为1300公斤每立方米，整个缆索的长度为1000000公里，设计为平均厚度为1微米的带状缆索，宽度从地面水平的5厘米增加到地球同步高度的11.5厘米，那么电梯缆索的总质量为97.7吨，相应的配重质量为52.7吨。

电梯运动

尽管太空电梯有电梯的名字，但和地面使用的电梯有很大不同。由于巨大的长度，太空电梯的线缆长度是最小化设计的，因此地面上电梯有提升载荷的移动线缆，而太空电梯只能通过攀爬器来自己获得升到地球同步轨道高度的势能。如果使用汽油动力，500公斤的攀爬器需要携带6720公斤的汽油才能到达地球同步轨道。如果使用激光或者无线传输能量来驱动电动机，那么200千瓦激光器持续照射能让攀爬器在4天内到达地球同步轨道。

建造概念

在人类进入太空时代后，建造“太空电梯”才这一科幻概念才真正进入发展和完善的过程。尽管不同国家的专家都提出过比较详尽的太空电梯建造和发展的概念路线，但距离实际工程应用还有相当的距离。甚至一些科学家和工程师认为太空电梯不可能完成。以下是一些可能的建造方式：

缆绳建造

1991年，首次制造出碳纳米管。碳纳米管的理论拉伸强度为130 GPa，钢材的拉伸强度小于5 GPa，凯夫拉的拉伸强度为3.6 GPa。碳纳米管的密度（1300公斤/立方米）也低于钢和凯夫拉材料。由于太空电梯的结构就是地面应力为零，在地球同步高度达到最大值。因此地球同步轨道处电缆的横截面积与地球处电缆的横截面积之比（也就是锥度比）应该越小越好。如果使用钢材锥度比将是1.7×10^33，凯夫拉的比率大约是2.6×10^8，而碳纳米管的比率仅为1.5。日本大林安尼普株式会社提出的“太空电梯”计划就使用了96000公里长的碳纳米管线缆。

为了太空中微流星的撞击，缆绳的形状应该是大宽度以及窄厚度的带状环氧树脂-纳米管复合材料，其中60%为碳纳米管，40%环氧树脂。为了进一步减少电缆中环氧树脂组分的质量，可以使用交替的复合材料和裸露纳米管组成的区段进行构建。这将使得复合电缆的质量中环氧树脂占比不到2%。这种设计还意味着构建缆绳所需的最小纳米管长度约为4毫米。目前的技术已经能够以120微米/小时的速率生产出几平方厘米的平行、紧密排列的长度为50微米的纳米管。另一种生产工艺在不到30分钟内生产出了一个尺寸为10毫米×50毫米的纳米管纠缠网络。

如果碳纳米管技术成熟，可以首先研制一根总长为11.7万公里长的纳米管带，地球端为5厘米宽、1.5微米厚，而地球同步轨道端为15厘米宽、1.5微米厚，总质量为5吨。能够承受132公斤的爬升器。

前期发射

如果研制完成第一根5吨重缆绳的研制，那么将使用火箭发射能够携带初始缆绳的卫星或者飞船进入地球同步轨道。实际的缆绳应该有两个轴，以便可以分别向两个相反的方向进行部署。一端受重力作用朝向地球前进，另一端受向外离心加速度作用向远离地球方向运动。一旦两端都完全展开，地球一端将被收回并固定。在电缆固定后，一直处于地球同步轨道上的宇宙飞船将沿着电缆向外移动，成为电缆远端的平衡配重。这将完成对一个稳定的、最简易的太空电梯的雏形。

现在主流的大型运载火箭，完全可以把5.5吨的载荷发射到地球同步轨道。载荷中除了5吨重的碳纳米管线缆，还有太阳能供电、基本的姿态控制、通信和指令系统。实际设计的最难点，是释放缆绳的两个轴。因为它要在发射阶段承受5吨重的初始线缆。

线缆扩充

在第一条线缆完成部署后，将使用爬行器沿着线缆攀升，同时展开附加的线缆。爬升器的配重为528公斤，携带1根694米长、重量为316公斤的线缆。爬升器携带的线缆展开后，将加固第一条初始线缆。加固完694米后，剩余的212公斤爬升器将继续上升，最终沿着线缆来到地球同步轨道外侧成为配重。爬升器的动力来源是微波或者激光无线传输电力。按照46千瓦的传输功率计算，爬行器爬升到13000公里高度的0.1G重力点，将需要116小时，每秒爬升速度约30米。如果每116小时发送一个爬升器，并将线缆强度增加1.5%，则线缆的提升能力将每232天翻倍一次，40个月后线缆的总质量将达到20吨。使用这根20吨的初始线缆，每232天可以再生产出1根20吨的太空天梯线缆。在3.5年内20吨重的线缆就能变成1000吨。日本大林株式会社提出的“太空电梯”计划则是首先部署1根20吨的太空电梯线缆，然后用18年的时间建设总重为300根以上的线缆，总重超过7000吨，需要爬升器进行510次工作。

配重设置

配重的作用是把整个太空天梯的质心提升至地球同步轨道并在末端保持结构的张力。因此有的太空电梯设计是捕获小行星作为电梯的配重。不过目前人类所掌握的航天技术还不足以捕获尺寸重量符合标准的小行星并将其送入预定轨道。日本大林安尼普株式会社提出的“太空电梯”计划配重达到了12500吨，包括近地轨道中转站、同步轨道空间站、地月轨道中转站、火星探索中转站和太阳系深空探索中转站。

锚定点选择

太空电梯锚定点位置必须靠近赤道，但对纬度的没有明确的硬性限制。这是因为赤道将对线缆产生恒定的离心力。选择锚定点位置的一个考虑因素是方便向爬升器传输能量。在海拔高于6公里的地方，微波传输效率超过90%，也有利于激光传输能量。但对人类工作环境来说，可能需要将海拔高度降为为5公里。功率传输站距离锚点不要超过10公里。第二个考虑因素是锚定点位置不要有大风和严重风暴，选择赤道附近的位置一般可以可以避免气旋风暴。第三个考虑因素是雷击。研究表明在较高的海拔地区，雷击频率减少。赤道附近一个明显没有雷电的地区是厄瓜多尔沿海的东太平洋区域，第二个地区位于坦桑尼亚海岸。综合来看较佳的锚定点位置在厄瓜多尔或肯尼亚以及坦桑尼亚山区。

爬升机构

和常规高楼大厦电梯厢使用的支撑轨道和导向轮不同，太空电梯使用的爬升机构是一种电磁推进的磁浮列车系统。磁悬浮技术的好处是爬升机构在太空电梯的升降过程中都不和线缆接触，减少了磨损降低了维护压力，另一个优势是可以在制动阶段回收电能。研究显示从地面爬升到地球同步轨道所需的能量约为60兆焦耳/千克。如果使用与ISS太阳电池阵等效的能量系统，产生约为60瓦特/千克的能量，爬升到地球同步轨道需要12天，平均每小时125公里。这类系统一般是用来进行施工和维护。如果是为了输送人员，将行程时间缩短到约10小时，则需要大约1千瓦/千克的功率水平，能达到2000公里/小时的速度。如果为了输送物资和航天器，可以使用速度更高的电磁发射系统。电磁发射系统的优点在于效率高，如果使用超导线圈，效率可以超过90％。2009年美国一个研发团队获得了美国NASA德莱顿飞行研究中心举行的太空电梯爬升器挑战赛的第一阶段胜利，赢得了90万美元的奖金，爬升器的速度是4米/秒，不过所有参赛者的爬升器都无法达到5米/秒的目标。

其他相关设施

太空运输系统

建立一个成熟的从地球到GEO的太空运输系统，是太空电梯的前提和基础。该系统包括从地球到近地轨道（LEO）的发射系统，从近地轨道（LEO）到同步轨道（GEO）的空间转移系统，以及从地球到同步轨道（GEO）的运输支持设施。这些运输系统不仅能用于太空电梯的建设，而且有利于刺激太空经济的发展，这才是建设太空电梯的大环境。这个运输系统必须使用多功能且高度可重复使用的航天器。地球到近地轨道的发射系统包括各种次轨道、助推发射和单级入轨（SSTO）可重复使用航天器。近地轨道到地球同步轨道使用装备化学推进和电推进器的可重复使用载具。从地球到地球同步轨道的运输支持设施将包括空间站和维修平台，以及一个燃料生产、交付和储存系统网络，来支持太空中的经济增长。

太空太阳能电站

太空电梯在一开始建设时，就可以具有太空太阳能电站的功能。由于碳纳米管具有导电性，因此用于建立初始连接的第一个地球到同步轨道的线缆就可以用作直接电力线路。最初，电力将通过线缆从地面向地球同步轨道传输，以支持施工工作。太空电梯建成后，如果线缆表面覆盖太阳能电池薄膜，那么太阳能收集面积达到3600万平方米。届时太空中的电力将通过线缆传回地面。这种直接电力传输方法可能比通过地球大气层进行激光和微波功率传输的方法更有效。

组装、维护和修复系统

为了建设和维护太空天梯系统，需要建立两个环境的组装、维护和修复系统，一个是从地面到近地轨道，另一个是从近地轨道到地球同步轨道。在初始的线缆模块被发射到同步轨道并开始释放后，需要在大气中组装一座50公里高的塔楼，并连接到从同步轨道悬挂下来的线缆系留结构。这需要新型的高空施工平台，包括重型空中飞艇、高空气球以及可重复使用的火箭。而从近地轨道到地球同步轨道，需要一个以自主型机器人为主的系统，能够自行完成太空组装、维护和修复系统。

优点

太空探索方面：太空电梯有可能大幅度降低发射成本，降至每公斤10美元甚至更低的水平。这将极大促进近地空间的开发。从地面到地球同步轨道的空中电梯是一个潜在的太空大规模运输系统，类似于地球上的公路、铁路这类基础设施。一个延伸至地球同步轨道之外的空中电梯可以无需推进剂就提供更大的逃逸速度，可以让航天器更便捷地达到月球、火星，甚至水星和土星。未来在地球、月球和火星都可以兴建空中电梯，这样就创建一个完整的内太阳系运输基础设施，减少对火箭系统的使用。

地球开发方面：通过研发建设太空电梯的高强度材料，能减轻地面设施和交通工具的结构重量，减少地球上的燃料消耗。可以凭借空中电梯在轨道上建造大型太阳能系统，并帮助将能源输送到地球上。这可以结束对煤炭的露天采矿，减少发电厂的排放，降低温室气体的产生，对全球变暖问题产生积极影响。依靠太空电梯能够开发防御小行星撞击地球的技术。太空电梯还能将重污染的工业产业转移到太空，进一步减少地球的污染。

问题挑战

材料科学

修建太空电梯关键在于缆绳。因为缆绳产生的离心力会超过一般材料的抗拉极限。因此缆绳材料质量分布必须均匀，且具备极强的抗拉伸能力。1991年，日本科学家首次发现碳纳米管，这是一种由单层或多层结晶度较好、呈正六方形的石墨碳，围绕某一轴心弯曲而成的无缝纳米级管，具有极高的强度。其强度理论计算值是钢材料的100倍，同时它质地柔软，具有很强的韧性，因此被认为建造太空电梯缆绳的理想材料。但是现实是呈正六方形理想碳纳米管很难生产出来，一般实验室只能生产微米级别，最先进的技术也只能生产约半米长的碳纳米管成品，这离修建太空电梯的数万公里长度需求还有很远距离。

环境因素

太空环境对太空电梯的线缆以及其他设施有负面影响，其中在近地轨道主要是氧原子氧、太空碎片、等离子体以及紫外线（UV）和真空紫外线辐射效应。而在地球同步轨道主要是带电粒子、紫外线和真空紫外线辐射以及流星体。在200-900千米高度的氧原子对轨道速度下的太空器具有显著影响。它会侵蚀有机薄膜和聚合物材料，氧化金属，并对材料的热光学性质、导电性、反射性、真空密封能力和强度产生负面影响。预计氧原子将侵蚀裸露的太空电梯的碳纳米管结构。直径仅有几毫米太空碎片或者流星体就有可能损坏防护层，甚至可能穿透压力容器，导致严重破裂。电离层等离子体对于碳纳米管这种材料的影响是会发生材料侵蚀并发生化学变化。紫外线辐射会使许多材料变黑，改变聚合物材料的光学性质和热控制涂层。地球同步轨道的带电粒子将会降低碳纳米管的强度、柔韧性和导电性。

安全问题

太空天梯完全有可能发生完全断裂这种最严重的灾难性的事故。这种故障可能是由太空物体的撞击、整个结构的过度振动或来自温度变化或轨道动力学的未预料的结构应力引起的材料破坏。如果太空天梯发生断裂，低于25000公里高度的物体将会掉回地球，从25000到47000公里高度释放的物体将进入地球近地轨道，47000千米高度以上物体将逃离地球轨道。空中电梯的灾难性故障可能会导致政治、法律、财务和生态灾难，造成大量人员伤亡。

建造成本

太空电梯的建造成本巨大。最不乐观的估计，太空电梯需要300年时间才能建成。而美国美国航空航天局专家研究认为可能在15-50年内建成。如果在15年内建成运营，投资将达到100亿美元。其中纯技术上的投资为65-70亿美元。但批评者认为太空电梯项目从来没有解决投资成本与回报平衡的问题，太空电梯最终的发射成本仍然无法确定。而同时现有的可重复火箭或者未来的单级入轨空天飞机，也能够显著降低发射成本，因此太空电梯的优势并不明显，但是技术的风险却极高。1971年航天飞机计划的成本预计为52亿美元，但最终花费了195亿美元。航天飞机每次飞行的成本为5亿美元，比最初估计高出50多倍。这证明太空天梯的成本预测也未必能反映实际的运营成本。

探索计划

国际组织

国际太空电梯联盟（ISEC）

布拉德利·爱德华兹博士于2002年在西雅图地区发起国际太空电梯会议，并在2003-2008年举行4次会议。其中在2008年7月在华盛顿州雷德蒙德举行的太空电梯会议上吗，会议各方决定成立国际太空电梯联盟 (ISEC-International Space Elevator Consortium)。ISEC除了定期举行会议之外，每年还资助一个重点主题的研究，以确保太空电梯项目中的学科取得进展。第一次是在2010年，评估了空间碎片的威胁。第二项研究和由此产生的报告重点关注太空电梯的运行概念。此外ISEC还定期举行国际合作活动和竞赛来推动太空电梯领域技术发展。

衍生概念

月球电梯

1972年，一名叫詹姆斯·克莱恩的美国人致信美国航空航天局，提出了建立“月球缆绳”计划来支持后续阿波罗登月的概念，他提出的概念是建设一个长度小于地球和月球之间距离的缆绳或其他张力结构，一段连接到月球表面，另一端并向上延伸到地球附近。当电缆在地球的引力与月球的引力中平衡的时候，它将保持在平衡点。这就是首个月球电梯的概念。克莱恩提出的线缆将由硅玻璃纤维制成，取材自月球表面丰富的二氧化硅。但NASA对该方案不感兴趣。1977年苏联航天专家阿图罗维奇·钦德提出在地月平衡点建立锥形月球太空塔的概念。1978年美国的两位专家汉斯·莫拉维克和杰罗姆·皮尔逊也分别提出了建立月球电梯的概念。月球电梯的好处是可以更方便地把月球月壤中的氧气和极地月冰等资源运到地日L1拉格朗日点，来支持太阳能太空电站以及储存液氧液氢等太空推进剂。同时太阳能太空电站通过月球电梯还能够向月球输送电力。

火星电梯

1978年，美国专家汉斯·莫拉维克提出通过新的凯夫拉材料，在火星上建立太空电梯也是可行的。他认为火星比地球更有利于建设太空电梯，因为火星重力小自转速度高，因此更有可能通过常规材料建设火星电梯。1984年美国科学家保罗·彭佐发表了一篇名为“火星空间运营缆绳”的论文。他设想将火卫二作为火星天梯的配重，然后利用火卫一建立低轨道火星电梯，首先利用缆绳从火星表面运输货物到火卫一，然后通过火卫一转移到火卫二。火星电梯的特点是利用火卫一和火卫二具有接近火星赤道的轨道倾斜度，因此依托这两个卫星，能够使用现有材料建设火星运输基础设施，支持对火星系统的持续探索和开发。例如有观点认为使用凯夫拉材料制作的太空电梯，能够将20吨载荷从火星低轨道转移到火星-地球转移轨道。