太空天梯

近年來，有關太空天梯的話題不時出現在各種媒體上，引起了廣大讀者的關注。 辦法就是從地球靜止軌道的飛船上再向上建造一個上天梯，使其產生的離心力合力能夠平衡下天梯受到的地球引力的合力。 當這個向上的合力與下天梯受到的向下的合力相等時，整個天梯就能懸在太空以與地球自轉相同的速度鏇轉而掉不下來。

近年來，有關太空天梯的話題不時出現在各種媒體上，引起了廣大讀者的關注。實際上，這是部分航天專家正在研究的一個新課題，其工程實施尚待時日。　太空天梯的基本原理
科學是一個開放的知識體系，其發展是永無止境的。最早提出太空天梯構想的人是俄羅斯著名學者齊奧爾科夫斯基。他提議在地球靜止軌道上建設一個太空城堡，和地面用一根纜繩連線起來，成為向太空運輸人和物的新捷徑。1970年，美國科學家羅姆·皮爾森進一步完善了太空天梯的構想。
所謂地球靜止軌道，是因為當在該軌道上的太空飛行器以每秒7.27×10-5弧度的角速度繞地球運行時，正好與地球自轉的角速度相同，故從地面上看去，好像固定在太空中不動一樣，因此才被稱為地球靜止軌道。正緣於地球靜止軌道的這種特殊功能，齊奧爾科夫斯基才提出在它上面設定一個太空城堡，垂放一根纜繩錨在地球赤道上，就可成為通向太空的天梯。這架梯子可以筆直地通向靜止軌道，在無外力影響時它不會彎曲，能成為通往太空的運輸線。截止到目前，包括我國在內的一些國家，已向靜止軌道發射了多顆衛星，成功掌握了高軌道太空飛行器入軌技術，這都為將來建造太空天梯奠定了一定的技術基礎。
愛德華茲的設計方案
1978年，著名科幻作家阿瑟·克拉克出版了科幻巨著《天堂之泉》。他構想從位於地球靜止軌道上的一顆衛星上向下伸展出一個梯子，直達地球赤道表面，人們即可像乘坐電梯一樣到太空中去遊覽觀光並運送貨物。當時有人問克拉克需要多長時間才能實現這一夢想，他回答道：“在受大家嘲笑的50年後。”21年後的1999年，美國宇航局馬歇爾中心的先進辦公室即發表了《天梯:太空的先進基礎設施》一文，標誌著天梯將從幻想走向現實。
2004年6月30日，在華盛頓召開的第三屆國際天梯會議上，專家們對天梯這一宏偉構想進行了探討。時隔僅僅9個月，2005年3月23日，美國宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀挑戰的首選項目。以研究天梯而著稱的西維吉尼亞州費爾蒙特科學研究所的布拉德·愛德華茲博士在論文中寫道：“天梯可以使人類歷史實現跳躍性的發展。”他認為自己構想中的初版天梯可能在2019年問世，其成本大約為70—100億美元，與人類其他大型太空工程相比，這項費用並不算太大。
愛德華茲是這樣描述天梯的建造過程的：第一步，把一個攜帶天梯半成品的飛船或太空梭發射到地球靜止軌道上，使其和地球同步飛行；第二步，把這個半成品的天梯從飛船上放下來，落到赤道海面的一個平台上，這個平台類似一般的海上發射衛星的平台；第三步，把半成品的天梯錨定在平台上；第四步，用一個由雷射提供能量的爬升器在這個半成品的天梯上上下移動，並把更多碳納米合成纖維纜繩擰在天梯半成品上，進一步完成天梯。整個製造過程大約需要兩年半的時間。另外，根據專家構想，天梯也可由電磁能驅動。建成後的這個天梯猶如一條上下垂直的高速公路，爬升器可沿著它把成噸重的物資或人，緩緩運送到離地面約3.6萬公里高的地球靜止軌道上，用時約需7.5天，回來也需要同樣長的時間。
為了建造天梯，首先必須找到製造纜繩所需要的既異常堅硬輕巧又能抵抗任何腐蝕的材料。1991年，日本科學家發明了碳納米管，這種材料雖比鋼輕6倍，但韌度要比鋼高出幾百倍，問題是生產成本太高。2004年，英國劍橋大學科學家阿蘭·溫德爾領導的研究小組曾宣布，他們成功地用納米碳管組成的纖維織成了“納米繩”。因納米碳管的直徑是一根頭髮直徑的1/5000，其剛度是鋼材的10倍，其硬度是金剛石的兩倍，故而由它們構成的“納米繩”雖然很細，但剛度和硬度都很大。他們認為，由於這種繩子製造成本低廉還不污染環境，將來可用於建造太空天梯。
至於海面平台位置的選擇要儘可能避開飛機航班和輪船航線，也不能位於颶風駭浪經常發生的地方。當然，天梯還要有抵禦閃電和風雲雨雪的衝擊、穿越電離層時的傷害、流星奔襲、高層大氣中硫酸的侵蝕以及來自太空垃圾的撞擊的能力。
工程所需的實際高度
當太空飛行器如飛船、衛星或太空梭在地球靜止軌道上以每秒3.07公里的速度運行時，其產生的離心力正好與離地球赤道約3.6萬公里高度上的地球引力相等，兩種力達到平衡狀態，故而太空飛行器不會掉下來。若從太空飛行器如飛船上伸展纜繩到地球赤道海面上組成一個天梯，那么受力狀態就發生了變化，最終情況也就不一樣了。
太空飛行器圍繞地球飛行而掉不下來的速度是隨著距離地面的高度而變化的。軌道高度越低，地球引力就越大，所需要的飛行環繞速度也就越大，反之亦然。如果天梯上每一點線速度所產生的離心力都小於當地的地球引力的話，就無法與地球引力相平衡，最終整個天梯將會受到一個巨大的向下作用的合力。在此力的作用下，天梯將在繞地球鏇轉的同時逐漸降低高度，最後結果只能是連同飛船一塊回落到地面上。
如何才能防止天梯掉下來呢？辦法就是從地球靜止軌道的飛船上再向上建造一個上天梯，使其產生的離心力合力能夠平衡下天梯受到的地球引力的合力。上天梯的受力情況正好與下天梯相反。它上面每一點獲得的線速度都大於當地需要的環繞速度，所產生的離心力都大於當地的離心力。沿著上天梯向上走，點的位置越高，線速度越大，產生的離心力隨之增大，而地球引力卻越來越小。這就使上天梯受到一個向上的合力。當這個向上的合力與下天梯受到的向下的合力相等時，整個天梯就能懸在太空以與地球自轉相同的速度鏇轉而掉不下來。
根據羅姆·皮爾森的精確計算，當上天梯的高度為10.8萬公里時，向上的合力就與35786公里長的下天梯受到的向下的合力相平衡了，這樣總高度為14.3786萬公里的整個天梯就不會墜地了。由於上天梯受向上的拉力，下天梯受向下的拉力，整個天梯就像兩頭受拉的纜繩一樣，被繃得緊緊的，不會彎曲，即使受到某種擾動發生彎曲，也能自動恢復到直線狀態。同時，受地球重力梯度的作用，天梯能始終保持垂直地面的方向。有鑒於此，建造太空天梯時，上、下天梯必須同步進行，以便使其任何時候所受到的向上和向下的兩個力都能保持平衡。唯有如此，才能逐步完成這項人類歷史上空前的宏偉工程。
目前，建造太空天梯遇到的最大困難是資金不足。在各界人士的幫助下，2002年，愛德華茲博士在西雅圖開辦了高梯系統公司，已籌集到了幾千萬美元的資金，美國宇航局和國會也已分別撥款50萬和250萬美元以示贊助和支持。這使有關天梯建設的研究工作得以逐步開展。至於何時開始建造太空天梯，將由資金籌集情況和美宇航局的決心而定，人們只能拭目以待。
不言而喻，太空天梯一旦建成，就可晝夜不停地開展運輸工作，把旅遊者和貨物送入太空，並大大降低運送費用。目前火箭發射或太空梭運送每公斤有效載荷約需2萬美元，而太空天梯運送每公斤物品僅需10美元，從而能夠推動空間技術實現跨越式發展。