終結火箭歷史？日本醞釀15年研發“天梯”

　　繼將機械女佣、水動力車和火箭靴等科幻作品中想象的事物研發成現實之后，科研工作者又一次奔向了將科幻小說變成現實的道路。與以往大不同的是，這一次是實現所有科幻小說中最偉大的構想——太空電梯。想想，從太空垂下長長的纜繩，升降艙自天際沿繩滑下，停落你的身邊，你不需要攀登，隻需抬腿走進升降艙，就像進入電梯，隻消一次等待，或一覺醒來，你的飛天夢已成為現實。而據物理學家布萊德利·C·愛德華茲聲稱，太空升降艙，實現可能隻需15年！

　　英國《泰晤士報》記者2008年9月22日報道，根據參與研究的科學家的說法，日本最優秀的科學家正致力於研究太空升降艙。

　　“太空電梯”也就是太空升降艙。對化學家、物理學家、材料學家、航天員和全球各地的夢想者來說，太空電梯代表著最激動人心的構想：比史上編織過的任何纖維都更牢固和更輕巧的纜索，一頭系於地球，另一頭連接在運行於大氣上方地球同步軌道中的衛星上。沿著這條纜繩，電梯型飛船往返於地球和太空之間，用以搭載各種物品，當然還可以載人。

　　迄今為止，人類還只是通過火箭推動克服地球引力將自己猛力“拋出”大氣層的方式進入太空——這是一種低效的方式。但是21世紀，人類應該開創一種更有效的辦法。

　　更重要的是，太空升降艙上天不需要攜帶大量燃料，預計所耗能量不過宇宙飛船發射的１％。而據英國方面一項測算顯示，用太空升降艙運送人和行李的費用僅相當於目前用航天飛機運送的0.25％。想想這是怎樣的一個概念？太空升降艙又有著怎樣誘人的前景？也許，到那時，就像負責太空升降艙研制的日本太空升降艙協會主席小野秋一（音譯）所說的一樣：“就像出國旅行一樣，人人都可以坐著‘電梯’上太空”。

　　有關太空升降艙的構想

　　不只是日本科學家致力於研發太空升降艙。建造太空升降艙的構想早就引起了全世界科學家和包括NASA在內的各個政府機構的興趣。現有的數個太空電梯項目都在加快步伐，因為不同的團體正在爭相建造梯廂和實施該計劃所需的其他數百種部件。太空電梯相關的科研機構還對能夠在這一方面取得突破的個人和組織給予獎勵，或者懸賞。

　　第一次對太空升降艙的討論可以追溯到1895年，俄國科學家希歐考夫斯基受到埃菲爾鐵塔構造和外形的啟發，設想出一個“天上的城堡”圍繞地球同步運動。到了1975年，美國空間力學研究實驗室的皮爾森（Jerome Pearson）發表了關於描述太空升降艙的論文。當時人們對他的建議就是“改行寫科幻小說去吧”。三年后，著名科幻大師阿瑟?克拉克從皮爾森的描述中獲取靈感，寫成《天堂之泉》。這篇科幻作品就向人們介紹了太空升降艙的想法，其想象之深，甚至涉及到了“碳納米管”以及“海洋－赤道空間站”。

　　太空升降艙這個概念有著偉大科幻小說具備的所有優秀特征：它大膽、充滿想象力，並且將改變我們的日常生活。同時間機器等設想不同的是，太空電梯的想法並不違反科學規律。它僅僅提出了一系列非常復雜的工程問題。

　　關於建造太空電梯在技術上的可行性，NASA負責從事先進太空飛行技術理論研究的科學家史密斯曼說，最大的難題在於：電梯塔的最低高度也要在36 000千米，如此高度導致電梯塔自身的重量成為巨大的負擔，要想使它穩穩地“站”在地球上，其基座的大小就要佔據一半的地球表面。這顯然是不現實的。

　　第二大難題，是升降艙所需纜繩材料要求太高，它要求既結實又足夠輕，還要很強的韌性。在這種情況下，纜繩負重的主要部分來自於纜繩自身的重量。常用的直立鋼結構的高度達到將近5千米時就會被自身的重量摧垮，鋁最多可以達到15千米，而人類當時所掌握的世上最輕的材料——環氧碳合物和環氧硼合物——能達到的高度也不過是120千米左右。

　　當然，也可以轉換一下受力方式。科學研究告訴我們，物質的抗拉伸能力遠大於抗壓能力。人類研制出的最能抗拉伸的材料是環氧石墨多晶體，在懸挂狀態下它能夠承受自身重量的長度是184千米。如果太空電梯的結構設計合理，電梯塔自身所受壓力可被轉化為拉力。由此，NASA的蘭蒂斯曾建議把電梯塔的結構設計成重量輕內部空的密封結構，使它本身如同具有浮力的氣球，這樣電梯塔就可以由抗壓結構轉化為抗拉結構，這種設計可以使它的高度達到3 000千米。不過這個高度距離要求依然很遠，而且在建造過程中，如何處理結構與結構之間的連接是個大問題。

　　在此基礎上，史密斯曼曾推論說，將來理想的結構應該是高塔與密封抗拉結構的結合體。但是科學家們計算的結果表明，這樣的結構同樣遇到材料選擇的難題。纜繩的材料要求同樣是既結實又足夠輕，此外還要具有一定的柔韌度以避開太空垃圾或者太空漂浮物的撞擊。這樣的結構與科幻愛好者所幻想的太空電梯相差太遠。他們心目中的太空電梯一般都是那種依靠小行星提供平衡的纜繩。

　　如此，太空升降艙的構想一直停留在科幻世界。直到1991年，日本電子顯微鏡專家澄男（Sumio Iijima）利用透射電鏡首次發現了碳納米管，這項開創性的發現引發了全球性的碳納米材料科學研究熱潮。碳納米管具有類似富勒分子的結構，它的強度是鋼的幾百倍。隻有鉛筆半徑粗的碳納米管就可以提升20輛汽車（約40 000千克）。有了碳納米管，前面所說一直困擾科學家們的兩大難題便迎刃而解。如此，碳納米管便理所當然地成為推動太空升降艙發展的動力。

　　1999年，一群來自頂尖的工程學院和從事空間研究的公司的科學家以及美國宇航局的專家，在美國馬歇爾飛行中心召開研討會，討論建造太空電梯將會遇到的種種難題，而他們得出的結論是：建造太空電梯在理論上是可行的，人類將會在21世紀的后半葉實現通過電梯向太空中輸送人員和物資的目標，屆時的太空電梯將會像人類現存的公路、鐵路、電纜和管道一樣，為人類打開通向太空的方便之門。這次會議之后，從事空間研究的科學家組成了鬆散的科研聯盟，與太空電梯有關的研究項目也迅速展開了。

　　2003年9月16日，在美國新墨西哥州首府聖達菲召開的研討會上，70多位科學家和工程師們就登上太空的更為方便和經濟的方法——太空電梯的建造進行了更為深入的討 論。同年，在太空電梯研究方面比較積極的是美國西雅圖太空電梯系統公司，他們獲得了NASA部分科研資助，一直在進行著相關的技術研發。

　　努力研發，打造太空升降艙

　　建造太空電梯顯然將是人類最大的工程項目，需要數萬千米長的電纜，還需要強大的支撐物來將它的底部固定在地球上。從理論上來說，由於必須保証太空電梯本身的剛性，不能讓它隨著地球的轉動被拉得到處亂繞圈子，甚至因為拉扯而損壞，它的重心必須位於地球同步軌道上，以使它與地面上的對應點隨時保持相同的角速度，而這個對應點，當然也隻能在赤道上。

　　考慮到重量平衡，太空電梯應該由兩部分組成，包括自重心點起往上、下兩方向各自伸展出的數萬千米長的電纜。

　　前景看起來非常的美妙。現實問題是，碳納米管難以批量生產。當前技術，如蒸發碳棒或通過制造碳蒸氣來合成這種分子結構的碳管隻能生產少量的產品，這些工作僅限於在實驗室進行，而不能制造出足夠長的碳帶。然而，生產技術上的新突破會使這種材料的生產飛速發展。不過，隨著納米技術的發展，科學家不斷開發出質量輕、強度高的碳納米管纖維材料，現有的此類纖維材料強度已經達到了所需強度的四分之一左右，使得修建太空升降艙逐漸成為可能。前面說過，太空升降艙的重心必須位於地球同步軌道上。因此，為了制造太空升降艙，必須將用來發送纜繩的人造衛星發射到地球上方約35 800千米處的同步軌道上。並向地球拋出一條碳納米管制作的纜繩。這顆人造衛星應該能夠提供足夠的張力，以便第一批運載工具可以順利到達太空。這些升降艙能夠將履帶軌道固定在纜繩的兩端，並且依靠從地面發射的激光轉換成的電能作為動力加以推動。

　　這顆同步衛星定位在赤道上方，且每天繞地球旋轉一周。它和地球自轉一圈的時間相同，所以它總是保持在地球上方的同一位置。而同步衛星以及電纜本身所具備的動力，將能夠使纜繩繃緊，以便升降艙能夠上下穿梭。

　　至於推動電梯型飛船進入太空的動力，日本大學精密機械工程教授青木吉雄說：“我們在考慮採用在新干線列車中採用的技術……碳納米管是良好的導電體，我們在考慮全程配備另一條纜繩用來供能。”我們知道，日本的新干線技術，主要有車輛結構輕量化、自動控制技術現代化，以及靠沿線架設供電線來保証電力型列車的運行。

　　此外，為了安全，地球表面的地面站應該處在赤道無雷電地區。這會減小雷擊的風險，避免損壞纜繩。

　　然而，現在科學家還面臨一些挑戰。在大規模生產碳納米管之前，科學家至少需要2∼5年，或更多的時間來研究合成碳管的機制。還有空間碎片或微流星體可能與纜繩相撞從而導致災難，但是研究人員相信在特定高度加寬纜繩可以克服這個問題。

　　“天梯”面世，可能隻需15年

　　美國維吉尼亞州科學研究中心的愛德華茲(Bradley C.Edwards)聲稱，太空升降艙將有可能成為世界歷史上最偉大的技術進步，實現可能隻需15年！如果真如他所說，那麼，隻需等上十幾年，就有人可以“一步登天”了！盡管到時依然隻有航天員與太空游客等極少數幸運者能夠親身體驗天梯的“神功”，但未能進入幸運者行列的普通大眾，至少有機會一睹天梯的雄姿遠影，或看著人類直上雲霄！

　　事實上，這項人類目前為止最偉大的構想，卻是最劃算的工程。據報道，日本方面估算的太空升降艙建造費用約為１萬億日元。《泰晤士報》說，對於這樣一項浩大工程，這一價格“低得令人吃驚”。畢竟，一旦太空升降艙落成，它可提供一種將人和貨物往返太空的廉價且方便的途徑。而且，它還能獲得一項額外好處，那就是升降艙頂部的運動可幫助人造衛星或宇宙飛船輕便地“彈射”進入太空軌道。

　　太空電梯將使人類能夠更加方便地開拓太空。由於太空電梯可以大規模的運送人員和物資，可以產生規模效應，使得將物體送入太空的成本降低至目前各種運載工具開銷的“零頭”。因此，一旦太空電梯問世，屆時太空旅行也許將真正進入大眾消費，而擁有太空電梯的國家則能比競爭對手搶佔更多的“空天”優勢。西雅圖太空電梯系統公司主管愛德華博士曾大膽預言：“未來，有可能造出10部這樣的電梯，也有可能造出延伸到月亮和火星的巨型電梯，造出第一部太空電梯的國家可能在未來100年擁有整個太空”。

　　來源：《航天員》