太空电梯系统的初步理论研究进展及问题一览，理论上绳索与配重的质量之和近万吨
- PhilLeafSpace
- 2023-02-07 05:48:02
【太空电梯系统的初步理论研究进展及问题一览，理论上绳索与配重的质量之和近万吨】太空电梯（天梯）是一种将人员或货物等有效载荷从地球表面运输到空间的低成本解决方案，其原理为：通过特殊材料（碳纳米管）制成的缆绳将地球表面的锚点与位于地球静止轨道 (GEO) 的空间平台连接，利用运行在缆绳上的载荷舱将有效载荷送入空间。
你们尽管想象我们负责实现
现有相关研究预计天梯运送GEO单位质量有效载荷成本为500美元/kg，较火箭降低两个数量级；可实现7×24h不间断、常态化运输，每周能运送百吨级的有效载荷进入空间，且对有效载荷包络没有要求，完全重复使用；相比于具有爆炸危险推进剂的火箭而言，天梯利用太阳能等绿色能源，更为环保安全。综上，天梯被列为未来航天运输发展的重点方向之一，对未来大型空间平台的建设（太阳能电站等）具有不可替代的优势，天梯的发展必将革命性地改变整个航天运输领域的模式。
电影流浪地球2
太空电梯主要由5个部分组成（图2）：位于赤道的地面节点、天梯绳索、载荷舱（攀爬器）、GEO点平台（空间站）、天顶锚（配重），其运行的基本原理为：合理配置绳索长度和天顶锚配重质量，保证系统的质心稳定在约3.6万公里的GEO上，使受力平衡，系统绕地公转角速度与地球自转角速度相等。
建造太空电梯有多难
太空电梯载荷舱的能源动力目前建议使用无线方式，主要有激光和太阳能两种。单个舱段自身重6t，运力14t。其最高运行速度一般为50~60m/s（图3），为保证舒适性，加速度一般低于2G，从地面到GEO单程需要约7天时间。载荷舱可将有效载荷运输到各个不同的轨道，其中有以下3种情况：
①直接运输至GEO上，而后释放；
②运输至地球逃逸轨道，用于探月和深空探测，需要将载荷运输至GEO以上高度，而后载荷自己变轨至目标轨道；
③目标轨道为LEO、MEO，需运输至不低于23390km处（低于此高度能量不够，载荷将再入），而后释放载荷，载荷再变轨至目标高度和倾角的工作轨道。
如何搭建9万公里的太空电梯
天梯系统理论上各指标特征存在以下相关规律：
①运载能力不变时，绳索强度越高，天梯系统质量和规模越小，但系统规模随强度增加而减小的变化量将逐渐变小，建议绳索强度不低于50GPa（图4）；
②绳索长度越长、质量越大，所需天顶锚质量越小，天梯系统总质量越小，但天梯系统总质量随绳索增长而减小的变化量将逐渐变小，建议绳索长度选择在100000km左右（图5）；
③载荷舱结构系数为定值时，天梯系统单位时间内的运力随载荷舱个数增加而增加，但增速逐渐变小；载荷舱结构系数随单个舱段质量降低而增加时，单位时间内的运力随载荷舱个数的增加先增加后降低，存在一个最优的载荷舱个数（图6）。
航天专家谈三体太空电梯可行性
鉴于太空电梯的质量主体为绳索和配重，故这二者是天梯建设需要重点考虑的两个变量。由于天顶锚点配重的质量与其距GEO节点的距离有关，在给定的假设条件下（详见图7），绳索长度达到150000km时，天梯系统不需要配重就能维持稳定；绳索为100000km时，配重质量约为1900t，绳索自身质量约6300t。
刘慈欣称太空电梯最难是材料
众所周知，制备强度和尺寸足够的天梯绳索是目前建造天梯最主要挑战，即天梯在技术上实现的最大障碍是材料问题。理论上，为避免地表锚点处绳索横截面积过大，绳索材料需要具有极高的强度密度比，假设材料强度为130GPa，密度为1300kg/m³，则绳索锥度比（地面横截面积/GEO横截面积）为1.5，如此天梯部署成为可能。
太空电梯用的是汪淼的纳米技术
碳纳米管是最有潜力的天梯绳索材料。目前单个碳纳米管的强度已达到200GPa，但将碳纳米管合成一定尺寸的带状天梯绳索十分困难，目前最好结果是强度达9.6GPa、密度为1850kg/m³，这与天梯绳索所需的材料性能仍有很大差距。可以说，当下千米级碳纳米管的研制与应用距离我们还十分遥远。
建造太空电梯总共分几步
除材料问题以外，天梯绳索的部署也是个难题，主要问题在于展开过程中天梯轨道不可能稳定，采取何种控制方式维持展开过程中绳索质心的稳定、抑制绳索的振荡幅度、减少推进剂消耗等问题，都是需要进一步深入研究的。关于绳索的部署方式主要有两种：
①绳索自GEO处单向向下展开，展开的同时，航天器需要携带绳索一起向上移动提升轨道高度去，以保证质心稳定在GEO，待绳索下端到达地面锚定，上端处的航天器到达远端成为配重；
②双向展开则是绳索在GEO处同时向上向下展开，完全展开后，绳索下端在地面锚定，GEO上的航天器向上移动至绳索上端成为配重。
流浪地球里的太空电梯能实现吗
此外，太空电梯建设和维护还有以下的许多问题亟需进一步研究和解决，包括：地面锚节点平台的选址建造；天梯系统的轨道稳定性问题，空间复杂环境对其的动力学影响；运行阶段天梯绳索的振荡问题，载荷舱运动对天梯的动力学影响；载荷舱上下运输所用的能源动力；天梯大气段恶劣天气与真空段面对复杂空间热力辐射环境及空间物体撞击的防范和维护问题……
参考资料：
1）汪小卫,鲁宇,刘丙利,等.天梯技术研究进展[J].导弹与航天运载技术,2015,No.338(02):41-44.
2）张普卓,汪小卫,刘丙利,唐庆博.天梯系统指标初步研究[J].导弹与航天运载技术,2016,No.345(03):5-8.
3）关英姿,文梓达,汪小卫,等.天梯动力学与控制研究进展[J].宇航学报,2022,43(05):537-547.
4）杨小东,徐志良,杨启帆,等.地球天梯爬升机构运行能耗计算方法研究[J].载人航天,2018,24(04):453-458.
你们尽管想象我们负责实现
现有相关研究预计天梯运送GEO单位质量有效载荷成本为500美元/kg，较火箭降低两个数量级；可实现7×24h不间断、常态化运输，每周能运送百吨级的有效载荷进入空间，且对有效载荷包络没有要求，完全重复使用；相比于具有爆炸危险推进剂的火箭而言，天梯利用太阳能等绿色能源，更为环保安全。综上，天梯被列为未来航天运输发展的重点方向之一，对未来大型空间平台的建设（太阳能电站等）具有不可替代的优势，天梯的发展必将革命性地改变整个航天运输领域的模式。
电影流浪地球2
太空电梯主要由5个部分组成（图2）：位于赤道的地面节点、天梯绳索、载荷舱（攀爬器）、GEO点平台（空间站）、天顶锚（配重），其运行的基本原理为：合理配置绳索长度和天顶锚配重质量，保证系统的质心稳定在约3.6万公里的GEO上，使受力平衡，系统绕地公转角速度与地球自转角速度相等。
建造太空电梯有多难
太空电梯载荷舱的能源动力目前建议使用无线方式，主要有激光和太阳能两种。单个舱段自身重6t，运力14t。其最高运行速度一般为50~60m/s（图3），为保证舒适性，加速度一般低于2G，从地面到GEO单程需要约7天时间。载荷舱可将有效载荷运输到各个不同的轨道，其中有以下3种情况：
①直接运输至GEO上，而后释放；
②运输至地球逃逸轨道，用于探月和深空探测，需要将载荷运输至GEO以上高度，而后载荷自己变轨至目标轨道；
③目标轨道为LEO、MEO，需运输至不低于23390km处（低于此高度能量不够，载荷将再入），而后释放载荷，载荷再变轨至目标高度和倾角的工作轨道。
如何搭建9万公里的太空电梯
天梯系统理论上各指标特征存在以下相关规律：
①运载能力不变时，绳索强度越高，天梯系统质量和规模越小，但系统规模随强度增加而减小的变化量将逐渐变小，建议绳索强度不低于50GPa（图4）；
②绳索长度越长、质量越大，所需天顶锚质量越小，天梯系统总质量越小，但天梯系统总质量随绳索增长而减小的变化量将逐渐变小，建议绳索长度选择在100000km左右（图5）；
③载荷舱结构系数为定值时，天梯系统单位时间内的运力随载荷舱个数增加而增加，但增速逐渐变小；载荷舱结构系数随单个舱段质量降低而增加时，单位时间内的运力随载荷舱个数的增加先增加后降低，存在一个最优的载荷舱个数（图6）。
航天专家谈三体太空电梯可行性
鉴于太空电梯的质量主体为绳索和配重，故这二者是天梯建设需要重点考虑的两个变量。由于天顶锚点配重的质量与其距GEO节点的距离有关，在给定的假设条件下（详见图7），绳索长度达到150000km时，天梯系统不需要配重就能维持稳定；绳索为100000km时，配重质量约为1900t，绳索自身质量约6300t。
刘慈欣称太空电梯最难是材料
众所周知，制备强度和尺寸足够的天梯绳索是目前建造天梯最主要挑战，即天梯在技术上实现的最大障碍是材料问题。理论上，为避免地表锚点处绳索横截面积过大，绳索材料需要具有极高的强度密度比，假设材料强度为130GPa，密度为1300kg/m³，则绳索锥度比（地面横截面积/GEO横截面积）为1.5，如此天梯部署成为可能。
太空电梯用的是汪淼的纳米技术
碳纳米管是最有潜力的天梯绳索材料。目前单个碳纳米管的强度已达到200GPa，但将碳纳米管合成一定尺寸的带状天梯绳索十分困难，目前最好结果是强度达9.6GPa、密度为1850kg/m³，这与天梯绳索所需的材料性能仍有很大差距。可以说，当下千米级碳纳米管的研制与应用距离我们还十分遥远。
建造太空电梯总共分几步
除材料问题以外，天梯绳索的部署也是个难题，主要问题在于展开过程中天梯轨道不可能稳定，采取何种控制方式维持展开过程中绳索质心的稳定、抑制绳索的振荡幅度、减少推进剂消耗等问题，都是需要进一步深入研究的。关于绳索的部署方式主要有两种：
①绳索自GEO处单向向下展开，展开的同时，航天器需要携带绳索一起向上移动提升轨道高度去，以保证质心稳定在GEO，待绳索下端到达地面锚定，上端处的航天器到达远端成为配重；
②双向展开则是绳索在GEO处同时向上向下展开，完全展开后，绳索下端在地面锚定，GEO上的航天器向上移动至绳索上端成为配重。
流浪地球里的太空电梯能实现吗
此外，太空电梯建设和维护还有以下的许多问题亟需进一步研究和解决，包括：地面锚节点平台的选址建造；天梯系统的轨道稳定性问题，空间复杂环境对其的动力学影响；运行阶段天梯绳索的振荡问题，载荷舱运动对天梯的动力学影响；载荷舱上下运输所用的能源动力；天梯大气段恶劣天气与真空段面对复杂空间热力辐射环境及空间物体撞击的防范和维护问题……
参考资料：
1）汪小卫,鲁宇,刘丙利,等.天梯技术研究进展[J].导弹与航天运载技术,2015,No.338(02):41-44.
2）张普卓,汪小卫,刘丙利,唐庆博.天梯系统指标初步研究[J].导弹与航天运载技术,2016,No.345(03):5-8.
3）关英姿,文梓达,汪小卫,等.天梯动力学与控制研究进展[J].宇航学报,2022,43(05):537-547.
4）杨小东,徐志良,杨启帆,等.地球天梯爬升机构运行能耗计算方法研究[J].载人航天,2018,24(04):453-458.
