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坐着电梯上太空

2015-12-01

小学科学 2015年11期
关键词:氦气塔架圆筒

将来,我们去太空仍需

搭乘火箭吗?不!我们可以坐着电梯游太空了!这样不仅价格便宜,还没有坠机风险,沿途也有大把的时间可以欣赏太空风景呢!

别不相信,好久之前,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基就提出了建造太空电梯的设想。如今一家加拿大公司终于拿出了一套切实可行的太空电梯建设计划,而且还申请了专利!

据说,人类的太空电梯梦有望在50年内实现!

个儿高,还要不怕热

目前,我们能搭电梯到达的最高的地方是828米高的迪拜塔顶层。要想搭电梯去大气层的顶端,最接近外太空的地方,那得先修一个3000多千米的电梯塔架。这个电梯塔架还得受得了大气层最外缘的散逸层的上千度高温!

要说地球上还真有不少金属能耐得住1500℃的高温呢!比如:钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆等。

不过散逸层的垂直高度有800千米呢!也就是说,电梯塔架必须有800千米长期处于高温中,那么它更容易老化,维修保养起来估计要花很多钱!怎么办?别担心,我们一点点来,先把电梯塔架修到20千米左右高的平流层吧,那里少有云、雨、雪等气象变化,空气流动平稳,天气晴朗。

节约30%的燃料

电梯修到20千米左右有什么用?除了观光,当然还有大用处,例如在太空电梯顶部装上跑道和发射平台,航天器就能从这里起飞了,你可别小看了这20千米左右的高度,航天器从这里飞向太空,要比从地面起飞容易得多,因为距离地面越远,重力越小,飞船就越省劲儿,消耗的燃料也就越少!根据计算,这样大约能为火箭节省30%的燃料呢,只需要一级火箭推射就可以飞出地球大气层!除此之外,我们还能在太空电梯上,利用对流层的强大气流进行大气涡流发电、架设太空通讯基站……

计划不错,可是具体要如何实施呢?

太空电梯用啥造

大家都知道,盖房子需要打地基,太空电梯也不例外,必须有牢固的地基来承受整个电梯塔架自身的重量,电梯才能稳当。这样说吧,例如把20千米左右高的塔架纵向分割成小段,你会发现,每一段所要承受的重量等于其上方所有段的重量之和,这种现象叫“重量的继承”。这样一来,越往下塔架所承受的力就越大,而塔基必须建造得非常庞大,才能提供足够的支撑力来抵抗上方所有小段施加的重力。

为了让电梯塔架更稳固,建造电梯塔架的用料就必须异常讲究,钢筋、水泥、混凝土显然不行,假如用钢筋、水泥、混凝土筑起一个20千米左右高的巨塔,也就是说要造一个比迪拜塔高20多倍的巨塔,以现阶段摩天大楼地基和楼高的比例最少是1:6来计算,至少得先建造一个3千米深的庞大地基才行,而且混凝土自身重量大,冷却后会变硬变脆,抵御自然之力的本领差,再说那么高的巨塔,遇上个台风、地震的话是非常危险的。

有科学家提出了使用现今较轻、较结实的碳纳米管当建筑材料,可是这种材料价格高得离谱,目前还没办法批量生产,更别说用来造太空电梯了。

超大氦气筒

钢筋、水泥、混凝土不能用,碳纳米管又用不起,那新型的太空电梯究竟要用什么材料造呢?

有了,用一种既轻巧又结实的芳纶复合材料!科学家们把这种材料设计成了圆筒型,再充上氦气,用来搭建电梯塔架。

无色无味的氦气很安全,而且密度比空气小很多,可以飘浮在空中,所以用它的浮力来支撑太空电梯的重量还真是个妙招儿!

不过太空电梯有20千米左右高,不同高度需要的氦气量不一样,所以太空电梯会有许多气囊。距离地球越远,空气压强越小,氦气就要充得少一点儿,这样才能保证芳纶复合材料造的圆筒内外压强一致。否则氦气膨胀,圆筒直接就爆了!

调速轮PK摇摇晃晃

依靠氦气在太空悬浮的太空电梯,要保持电梯垂直运行恐怕是最难的。

20千米左右的电梯塔架要穿越十七八千米长且空气运动频繁的对流层,想纹丝不动还真不容易。而且自古就有“牵一发而动全身”的说法,20千米左右高的塔架的任何一个地方遭遇飓风袭击,整体都会动个不停。这样一来,电梯运行就非常危险了!

为了确保电梯能垂直运行,科学家们设计了一套非常复杂的调速轮装置,并把它们安装在太空电梯的各个部分。当遇到外力导致太空电梯倾斜时,调速轮系统会设法使其恢复垂直状态!

这简直太棒了,等太空电梯建好后,大家一定要去观光。

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