自從劉慈欣的科幻小說《三體》獲得科幻文壇最高榮譽獎——雨果獎以來，很多同學對科幻世界裡的神奇裝備產生了極大興趣。為此，《中學生數理化》八年級物理版“看封面”欄目特別策劃了太空電梯、太空武器、捕捉小行星、反物質武器、降維攻擊等系列科幻題材的文章，與同學們共享！

自1961年蘇聯宇航員尤里·加加林首次遨遊太空以來，科學家們無時無刻不在夢想著創造更加便捷的方式，讓人類能夠方便地往來於地球和太空之間。在眾多運輸方案設想中，太空電梯脫穎而出，將成為人類夢想中連接天地的“高速公路”，能否美夢成真，就讓我們拭目以待。

太空電梯的設想

目前進入太空的主要工具是運載火箭，是通過消耗大量燃料來擺脫地球引力的。偌大的火箭80%的空間裝載燃料，佔火箭總質量的90%以上，14%的空間為火箭本身的結構，僅有6%的空間可以載人或貨物，發射和回收成本極高。一旦太空電梯建成，科學家預測運送每千克載荷進入太空的成本可由20000美元降至500美元，可像高速公路一樣24 h運轉。

最早提出太空電梯概念的是俄國火箭專家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，他從巴黎的埃菲爾鐵塔獲得靈感，設想在地球靜止軌道（同步軌道）上建立一個“天空城堡”，和地面用一根纜繩連接起來，成為通向太空的天梯。而真正從技術角度描述這個問題的是英國著名科幻小說家阿瑟·克拉克，他在1979年出版的《天堂的噴泉》中細緻地描寫了太空電梯的構想：從地球同步衛星上放下一條用超級纖維製成的“纜索”，在地球與太空之間建成一條“索道”，讓人們乘坐電梯去太空觀光旅遊，設想圖如下圖。近年來隨著新材料科學的發展，太空電梯已經開始從科幻小說、電影步入現實世界，許多國家的研究人員正在嘗試設計、建造太空電梯。

太空電梯的原理

那麼，能否建成太空電梯呢？從理論上來說是可行的。想象一個孩子，用手抓住一端拴著重物的細繩，在豎直平面內以手為中心擺動，當擺動速度足夠大時，重物就會以手為中心在豎直平面內做圓周運動，一隻螞蟻從靠近手的一端沿著細繩爬向重物。當螞蟻到達重物時，既達到了一定的高度，又具有了一定的轉動速度。這就是太空電梯的基本原理。手就像自轉的地球，重物就像地球同步軌道上的太空站，為了維持圓周運動，纜繩將被繃緊，電梯就像細繩上的螞蟻，利用太陽能或激光轉換電能推動電梯沿著纜繩上下移動。

太空電梯項目負責人布拉德·愛德華茲博士設想把卷有纜繩的飛船或航天飛機發射到距離赤道3。6萬千米的靜止衛星（同步衛星）所在的軌道上，使其和地球同步飛行，放下纜繩固定在位於地球赤道的平臺上，使一個形似電梯的吊箱沿纜繩上下移動，運載乘客和貨物。為了避免靜止衛星因電梯太重被拉回地面，還要架設一條纜繩延伸到一個在太空中繞地球軌道運行的平衡物（可能是一個質量巨大的天體，也許是一顆小行星）上，以平衡太空電梯受到的引力，確保纜繩繃緊。這樣纜繩的總長度將達到10萬千米，示意圖如下圖。

太空電梯的結構

太空電梯長什麼樣呢？它主要由基座、纜繩、電梯艙、太空站和平衡物構成。

基座（如下圖）是建在赤道上用於錨定纜繩的平臺，考慮到纜繩的安全，要儘可能避開飛機、輪船的航線和衛星的軌道，選擇暴風雨、閃電和巨浪較少的地方。基座有固定式和漂浮式兩種設想，固定式有利於周邊硬件設施的搭建；漂浮式設想在太平洋中建一個漂浮可移動的平臺，可躲避不良氣候或太空垃圾。

纜繩是建造太空電梯最大的障礙，要求既輕巧又堅韌，還要能夠經受住大氣腐蝕、輻射、隕石的撞擊等。科學家們認為，碳納米管是目前纜繩材料的最佳選擇。

電梯艙是類似於傳統電梯的轎廂，就是一個沿著纜繩爬升的箱子。它如何爬上去，動力又從哪裡來呢？最簡單的方法是在電梯上裝電動機。電動機的電源可以從纜繩上取得，或用裝在電梯艙中的發電機發電。另外一種方法是在電梯艙上裝兩片反光板，然後從地面發射足夠強的激光將電梯艙“射”上去。雖然聽上去很瘋狂，但由美國太空基金會組織的太空電梯競賽結果表明，“激光動力自動攀登”方案是可行的。

太空站是地球靜止軌道上的大型空間站、太陽能電站，是太空電梯的終點站，未來還將成為人類前往其他星球的中轉站。

面臨的難題

目前，建造太空電梯最大的難題是能否研製出又強又韌又輕又長又便宜的碳納米管。我國清華大學魏飛教授研究團隊已成功製備出世界上最長的、單根長度達半米以上的碳納米管，創造了新的世界紀錄，目前正在從事1米以上碳納米管的製備工作，下一步希望能夠製備出千米級以上長度並具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空天梯的建造開啟一線曙光。另一個難題是電梯和纜繩的振動問題，由於電梯的運動和太陽、月球的引力變化及太陽風的壓力，它們都可能會引起纜繩的振動，從而發生共振現象（當外界驅動力的頻率與物體結構固有頻率相近時，振幅會顯著增大），給太空電梯帶來危害。地球的自轉還會使電梯和纜繩被強制向地球自轉方向的反方向運動，導致纜繩像鐘擺一樣來回擺動，從而使電梯偏離預定軌道。此外，清理太空電梯軌道上的障礙也是一大難題。軌道上有太多危險的東西需要考慮，譬如太空垃圾和活動中的衛星，它們將不定時以很快的速度衝擊纜繩，導致纜繩斷裂或太空電梯失事，因此這一難題也必須解決。雖然可以在現有衛星上安裝躲避功能，但是清理太空垃圾卻很棘手。

雖然建造太空電梯困難重重，但是我們相信，在科學家們的共同努力下，太空電梯的實現一定為期不遠。