自从刘慈欣的科幻小说《三体》获得科幻文坛最高荣誉奖——雨果奖以来，很多同学对科幻世界里的神奇装备产生了极大兴趣。为此，《中学生数理化》八年级物理版“看封面”栏目特别策划了太空电梯、太空武器、捕捉小行星、反物质武器、降维攻击等系列科幻题材的文章，与同学们共享！
自1961年苏联宇航员尤里·加加林首次遨游太空以来，科学家们无时无刻不在梦想着创造更加便捷的方式，让人类能够方便地往来于地球和太空之间。在众多运输方案设想中，太空电梯脱颖而出，将成为人类梦想中连接天地的“高速公路”，能否美梦成真，就让我们拭目以待。
太空电梯的设想目前进入太空的主要工具是运载火箭，是通过消耗大量燃料来摆脱地球引力的。偌大的火箭80%的空间装载燃料，占火箭总质量的90%以上，14%的空间为火箭本身的结构，仅有6%的空间可以载人或货物，发射和回收成本极高。一旦太空电梯建成，科学家预测运送每千克载荷进入太空的成本可由20000美元降至500美元，可像高速公路一样24 h运转。
最早提出太空电梯概念的是俄国火箭专家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，他从巴黎的埃菲尔铁塔获得灵感，设想在地球静止轨道（同步轨道）上建立一个“天空城堡”，和地面用一根缆绳连接起来，成为通向太空的天梯。而真正从技术角度描述这个问题的是英国著名科幻小说家阿瑟·克拉克，他在1979年出版的《天堂的喷泉》中细致地描写了太空电梯的构想：从地球同步卫星上放下一条用超级纤维制成的“缆索”，在地球与太空之间建成一条“索道”，让人们乘坐电梯去太空观光旅游，设想图如下图。近年来随着新材料科学的发展，太空电梯已经开始从科幻小说、电影步入现实世界，许多国家的研究人员正在尝试设计、建造太空电梯。
那么，能否建成太空电梯呢？从理论上来说是可行的。想象一个孩子，用手抓住一端拴着重物的细绳，在竖直平面内以手为中心摆动，当摆动速度足够大时，重物就会以手为中心在竖直平面内做圆周运动，一只蚂蚁从靠近手的一端沿着细绳爬向重物。当蚂蚁到达重物时，既达到了一定的高度，又具有了一定的转动速度。这就是太空电梯的基本原理。手就像自转的地球，重物就像地球同步轨道上的太空站，为了维持圆周运动，缆绳将被绷紧，电梯就像细绳上的蚂蚁，利用太阳能或激光转换电能推动电梯沿着缆绳上下移动。
太空电梯项目负责人布拉德·爱德华兹博士设想把卷有缆绳的飞船或航天飞机发射到距离赤道3。6万千米的静止卫星（同步卫星）所在的轨道上，使其和地球同步飞行，放下缆绳固定在位于地球赤道的平台上，使一个形似电梯的吊箱沿缆绳上下移动，运载乘客和货物。为了避免静止卫星因电梯太重被拉回地面，还要架设一条缆绳延伸到一个在太空中绕地球轨道运行的平衡物（可能是一个质量巨大的天体，也许是一颗小行星）上，以平衡太空电梯受到的引力，确保缆绳绷紧。这样缆绳的总长度将达到10万千米，示意图如下图。
太空电梯长什么样呢？它主要由基座、缆绳、电梯舱、太空站和平衡物构成。
基座（如下图）是建在赤道上用于锚定缆绳的平台，考虑到缆绳的安全，要尽可能避开飞机、轮船的航线和卫星的轨道，选择暴风雨、闪电和巨浪较少的地方。基座有固定式和漂浮式两种设想，固定式有利于周边硬件设施的搭建；漂浮式设想在太平洋中建一个漂浮可移动的平台，可躲避不良气候或太空垃圾。
缆绳是建造太空电梯最大的障碍，要求既轻巧又坚韧，还要能够经受住大气腐蚀、辐射、陨石的撞击等。科学家们认为，碳纳米管是目前缆绳材料的最佳选择。
电梯舱是类似于传统电梯的轿厢，就是一个沿着缆绳爬升的箱子。它如何爬上去，动力又从哪里来呢？最简单的方法是在电梯上装电动机。电动机的电源可以从缆绳上取得，或用装在电梯舱中的发电机发电。另外一种方法是在电梯舱上装两片反光板，然后从地面发射足够强的激光将电梯舱“射”上去。虽然听上去很疯狂，但由美国太空基金会组织的太空电梯竞赛结果表明，“激光动力自动攀登”方案是可行的。
太空站是地球静止轨道上的大型空间站、太阳能电站，是太空电梯的终点站，未来还将成为人类前往其他星球的中转站。
面临的难题目前，建造太空电梯最大的难题是能否研制出又强又韧又轻又长又便宜的碳纳米管。我国清华大学魏飞教授研究团队已成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新的世界纪录，目前正在从事1米以上碳纳米管的制备工作，下一步希望能够制备出千米级以上长度并具有宏观密度的碳纳米管。这些工作将为太空天梯的建造开启一线曙光。另一个难题是电梯和缆绳的振动问题，由于电梯的运动和太阳、月球的引力变化及太阳风的压力，它们都可能会引起缆绳的振动，从而发生共振现象（当外界驱动力的频率与物体结构固有频率相近时，振幅会显著增大），给太空电梯带来危害。地球的自转还会使电梯和缆绳被强制向地球自转方向的反方向运动，导致缆绳像钟摆一样来回摆动，从而使电梯偏离预定轨道。此外，清理太空电梯轨道上的障碍也是一大难题。轨道上有太多危险的东西需要考虑，譬如太空垃圾和活动中的卫星，它们将不定时以很快的速度冲击缆绳，导致缆绳断裂或太空电梯失事，因此这一难题也必须解决。虽然可以在现有卫星上安装躲避功能，但是清理太空垃圾却很棘手。
虽然建造太空电梯困难重重，但是我们相信，在科学家们的共同努力下，太空电梯的实现一定为期不远。
本文摘自《中学生数理化》*中学生爱数理化，欢迎关注！
