1键升天,太空电梯

2019-04-22 23:43栏目:澳门新葡亰手机版登录网址

原标题:一键升天!太空电梯了解一下

原标题:日本测试“太空电梯” 太空旅行有多远?

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我们的征途是星辰大海。

黑科技!日本将测试迷你太空电梯 直接到太空!

图片1:“隼鸟2号”探测器准备着陆在小行星“龙宫”表面

澳门新葡亰手机版登录网址,从明朝时将自己绑在火箭椅上试图上天,却不幸在火箭爆炸中献出生命的万户,到 1903 年寒冬里乘坐自制飞机在空中飞行了 12 秒 36.5 米的莱特兄弟......古往今来,人类对头顶深邃的天空从未停止过好奇与向往。

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北京时间2月23日消息,日本宇宙航空研究开发机构2014年发射的一艘小行星探测器日前成功着陆在一颗高速飞行的近地小行星表面,它收集到了样本并准备带回地球用于研究。

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新京报讯 搭乘电梯直通太空,听起来像是科幻小说的情节,但是日本科学家正努力将此变为现实。本月日本将进行迷你版太空电梯实验,这将是世界首个测试电梯在太空中运动的实验。日本科研团队的目标是2050年建成太空电梯,届时将乘客带到3.6万千米的高空旅行。

考虑到小行星“龙宫”是一块很小的岩石,漂浮在距离地球约3亿公里的太空中,因此这是一项令人振奋的成就。“隼鸟2号”小行星探测器花了将近4年的时间才抵达“龙宫”这颗小行星,这是人类第二次从这样的小行星上收集样本。

当然,随着苏联宇航员加加林在 1961 年 4 月 12 日首次代表人类飞向了太空,以及此后越来越多的火箭和人类踏足太空,今天的人类似乎对此也习以为常了。

用碳纳米管制作缆绳连接地面和太空

把这样的样本带回地球让许多人感到兴奋,此举浸透了科学家们的艰辛汗水,背后隐藏着哪些困难挑战和伟大意义?

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据日媒《每日新闻》报道,日本静冈大学工学部的科研团队与日本建设公司大林组合作开发了迷你版太空电梯,将视天气情况在本月进行实验。负责研发的日本静冈大学教授能见公博表示,实验将用一段10米长的钢制缆绳,连接2颗边长为10厘米的小型立方体卫星。这2颗卫星将搭乘H2B火箭7号机从鹿儿岛县种子岛宇宙中心前往国际空间站。在缆绳上,研究人员将尝试利用电机驱动一个模拟电梯升降舱的盒子,使其在缆绳上来回移动。安装在卫星上的照相机将会记录,盒子如何在实际的宇宙空间中移动,以此测试太空电梯模型的可行性。静冈大学的研发团队表示,虽然是迷你版太空电梯实验,但如果能够在宇宙空间确认运行情况,将会成为实现构想的第一步。

1、火箭载荷有限

但是对于绝大多数的普通大众来说,今天太空仍旧是个只能抬头仰望的地方,原因无二,高昂的火箭发射成本使得上天这件事只能被用于科学研究或者是成为少数富人的玩物。

参与太空电梯实验的日本建设公司大林组还在单独推进研发工作。据大林组公司网站介绍,他们构想用碳纳米管制作缆绳,6组升降电梯依靠电动机在其上运行,升降舱将建成直径为7.2米的鸡蛋状,可承载30人。电梯从地面出发,预计8天到达空间站。该公司评估这一套太空电梯系统大约需要20年的建造时间,耗价约10万亿日元。大林组的太空电梯研发组负责人石川洋二接受《朝日新闻》采访时表示:“太空电梯从理论上来说可以实现。未来,太空旅行将盛行。”

在将宇航员派往小行星之前,人们需要找到一种有效的方法来分析小行星的矿物构成。这里最大的障碍是,由于火箭受到大小和重量制约,其有效载荷是有限的,因此人们无法在火箭上装配最好的科学设备。从这个意义上讲,人类在这些小行星表面上进行科学分析总是受限的。

即使是目前马斯克的 SpaceX「猎鹰 9 号」(Falcon 9)因为其可回收利用的特性而能将火箭发射成本控制在平均 6200 万美元(约合 4.25 亿元人民币),这样的高价依然不是普通人能承受得起的。

太空电梯将大大节约太空运输成本

令科学界兴奋的是,日本科学家找到了一个变通的方法:带回小行星的样本在地球上进行分析。

澳门新葡亰手机版登录网址 5▲猎鹰 9 号海上回收

太空电梯的想法最早由俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出,他提议在地球静止轨道上建设一个太空城堡,用一根缆绳将地面与城堡相连,以此实现太空运输。1979年英国作家阿瑟·克拉克将这个概念写入了科幻小说《天堂的喷泉》,引起了公众的广泛关注。在科幻作家刘慈欣的作品《三体》中,也有关于太空电梯的描述。其实太空电梯的基本原理就是,用一条长缆绳,其一端固定在地球上,另一端固定在地球静止轨道(距离地面约3.6万千米)上运行的航天器或者空间站上,在引力和向心加速度的相互作用下,缆绳会绷紧,一个类似于电梯的升降舱在缆绳两端上下运动。

2、着陆困难

不过据日本《每日新闻》报道,来自日本静冈大学工程学院的研究团队将在日本种子岛宇宙中心发射两颗小型卫星,并计划在两颗卫星之间长 10 米的线缆间进行测试,为之后能大幅削减人员、物资上天成本的「太空电梯」进行验证。

本世纪初,随着新材料的不断出现,太空电梯的构想不再那么遥不可及,来自美国、日本、俄罗斯等各国的科学家纷纷开始探索,因为一旦建成将大大节约太空运输成本。日本是最积极的国家之一,10年前就集结了各路专家组成“日本太空电梯协会”,对此展开研究。2013年,日本教授青木义男试制的“登山者”电梯在富士山山麓进行实验,电梯成功升到了地上1200米的高度。但由于日本法律的限制,不可进行更高海拔高度的测试。日本太空电梯协会会长大野修一认为,太空电梯将是人类探索太空资源的必要工具。

为了实现这一重大壮举,“隼鸟2号”在到达钻石形状的“龙宫”所处的位置后,不得不在六个多月的时间里保持环绕它的轨道运行。在此期间,JAXA团队对这颗小行星进行仔细研究,并为探测器安全着陆制定计划。“隼鸟2号”从其轨道上发射了两台跳跃探测器Rover-1A 和Rover1B ,以勘测该小行星的地形,并寻找着陆点。

《三体》真的要来了么?

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这是一项极其复杂的任务,因为当两台跳跃探测器执行侦察任务时,“隼鸟2号”必须保持在小行星周围的轨道上,而这颗小行星当时相对于地球的飞行速度超过了22000公里/小时(13891英里/小时)。

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太空电梯比火箭有何优势?

当探测器发现这颗小行星的表面对“隼鸟2号”着陆构成挑战时,冒险就变得更加紧张了。虽然JAXA的科学家最初认为“龙宫”的表面是一种“粉状细风化层”,但跳跃探测器发现,这颗小行星的表面实际上由比预期更大的砾石构成。

真·天梯

事实上,在 1895 年,苏联的火箭科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基受巴黎的埃菲尔铁塔启发,便提出了可以在地球静止轨道(地球赤道上空 35786 公里,在这个轨道上的航天器绕地一周的时间与地球自转时间相同)上建设一座通天塔,并通过缆绳和地面相连。

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在过去的 100 多年中,这样的整体设计思路也没发生什么大的变化。

与船舶和海洋里的钻井平台一样,整个太空电梯装置在地面设有一个巨大的锚用于固定整个电梯的位置。而在太空里的另一端,则是一个用来提供拉力,将整个线缆绷紧的配重装置。至于在中间的,就是用来承载太空电梯上下运行的线缆了。

而在整个装置部署之后,乘客及货物可以搭乘电梯以每小时 200 公里的速度沿着线缆上天,整个行程大约为一周。

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至于这样的太空电梯建成之后的好处,自然也就是上文中提到的可以压缩运输成本。据预计,使用太空电梯在地球和太空间往返的运输成本将从目前「猎鹰 9 号」的每公斤约 7000 美元下降至约 200 美元(约合 1370 元人民币)。而更低的成本则意味着在太空里更大的想象空间。

6 月 27 日,历经 4 年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的「隼鸟 2 号」探测器抵达了目标小行星「龙宫」附近,并将在进行 1 年多的观测和采集样本之后于 2020 年返回地球。

澳门新葡亰手机版登录网址 9▲隼鸟 2 号

事实上,日本采集小行星样本的计划也只是全球各航天大国小行星采矿计划中的一部分。

去年,我国就公布了建设小行星基地的计划,并计划在 2020~2025 年间将机器人或宇航员送到小行星上,并将矿产带回地球;美国的 NASA 也计划于 2022 年发射飞行器前往「灵神星」小行星,值得一提的是,「灵神星」上的铁资源价值超过 1000 亿亿美元。

而如果太空电梯建成,它无疑将成为外星矿产与地球之间、人类与浩瀚的宇宙之间绝佳的中转站。

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不过问题来了,既然这样的太空电梯能带来这么多好处,那为何在这个概念被提出的 100 多年后的今天,它仍然还处在测试验证阶段呢?

人类现在进入外太空只能依靠火箭运输,不仅运输成本高昂,而且会对地球环境造成影响。据彭博社,目前的国际商业卫星发射中,每千克荷载的运输成本约2.5万-4万美元之间。日本建设公司大林组预估,太空电梯建成后,每千克荷载的运输成本约为200美元。

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创业未半而中道崩殂?

这样一部太空电梯之所以迟迟造不出来,最大的原因莫过于线缆的材料了。

全长 30000 多公里,这样长度与重量给线缆带来的强度和轻质上的要求必然是在人类历史上从未有过的,此前研究太空电梯的科学家也均表示制造线缆的材料在地球上不存在。

随着材料科学的发展,现在看来碳纳米管似乎是一个可行的方案,不过目前的技术也只能造出零点几米的碳纳米管,更不用说用在从地面直达太空不能有一丁点瑕疵的超级工程了。

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此外,假设在未来符合强度、重量标准的线缆被制造出来了,它在使用过程中还需要能抵御低层大气的大风、雷电、暴雨以及高层空间的辐射、太空垃圾等等。一旦线缆在低层断裂,整个上层的装置将像气球一样飞向太空;而若线缆在高层断裂,地球将拽着整条 30000 多公里的线缆四处乱甩,造成的后果也是可想而知的。

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当然,除了目前的材料还满足以及太空电梯本身不能出任何故障的缺点,太空电梯的竞争对手火箭也在迎头追上。

上文中提到目前「猎鹰 9 号」的发射成本大概约为每公斤 7000 美元,相较每公斤 200 美元的太空电梯来说确实还有不少差距,不过相较于不可回收的火箭每公斤约 20000 美元的成本,「猎鹰 9 号」已经有了长足进步,而且未来的发展也值得期待,更不用说火箭拥有更强的环境适应能力以及更快的速度。

澳门新葡亰手机版登录网址 14▲一周上天还是有点久

只能说,距离太空电梯真正到来的那一天或许还有些遥远。

中国航天科工集团第二研究院研究员、国际宇航联空间运输委员会秘书长杨宇光说,如果太空电梯建造成功,意义绝对不局限于太空观光旅游。首先,人类现在进入太空最大的障碍就是成本过高,太空电梯能近乎百倍地降低费用。这样的话,人类可以把大量的物资运入太空。其次,太空电梯更加安全。火箭必须要以极高的速度进入太空,面对的环境极其恶劣,而且对宇航员来说也非常危险。如果搭乘太空电梯,可以非常平稳地进入太空。

图片2:“隼鸟2号”探测器着陆在紫色圆圈内。十字标记出了原本计划着陆的位置。

Geek君有话说

古往今来,正是因为人类始终怀有「欲与天空试比高」的情怀才有了今天一艘艘突破大气飞向宇宙的飞船。无论这次日本进行的这次小型太空电梯测试能不能成功,或者最终版的太空电梯能不能投入使用,它们都同万户、莱特兄弟一样,是人类想象力、好奇心的结晶,为人类的航空航天事业带来了些许不同。

梦想还是要有的,万一未来按个键就能上天了呢?

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事实上,“隼鸟2号”能利用探测器内部旋转的质量所产生的扭矩,跳过“龙宫”的低引力场,绕着这颗小行星移动。这与人类在月球和火星上进行探索时使用的轮式探测器完全不同。

建造太空电梯有何难点?

3、三次采样

太空电梯概念提出已有100多年,至今仍未实现,这个项目在实际操作中究竟存在多大的困难?据世界科技研究新闻资讯网(PHYS.org),太空电梯的重要组成部分是缆绳,而缆绳的材质问题是建造过程中首先遇到的障碍。虽然碳纳米管的诞生带给科学家很大的希望,它的强度是钢铁的20多倍,但是目前制作碳纳米管的技术还比较差。

在安全着陆后,“隼鸟2号”向这颗小行星的地面发射出子弹,产生出了一堆更小的软碎片。“隼鸟2号”将这些小碎片收集起来后,再次上升到小行星的轨道上。

天体物理学博士、科普作家孙正凡表示,建造太空电梯在材料、动力、维护、成本等方面都存在困难。我们现在对材料有各种设想,包括碳纳米管,但是如何把这些材料打造成符合太空电梯长度、强度、重量比要求的缆绳,还是个未知数。日本进行迷你版太空电梯实验,可以通过检验这个模型来考察理论与实际存在多大的差距。短期内还无法实现构想,但是科学技术的突破是无法预见的,必须一步一步地进行可行性实验。

在接下来的几周到几个月里,“隼鸟2号”还将从“龙宫”上获取另外两个样本。第二次采样的方式将与上一次类似,但第三次有所不同,届时“隼鸟2号”会先向“龙宫”的表面发射一枚铜弹,等待尘埃清除,然后俯冲至小行星表面装载岩石碎片。

杨宇光表示,除了材料之外,太空电梯建造过程中还需要考虑如何躲避太空碎片的问题,以及可能会有其他卫星撞上来,最终可能会发生电梯被撞断裂的情况。另外,地球的转动并不是完全规则的,因此太空电梯随之运转的过程中可能遇到各种问题。

4、历时数年

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虽然到目前为止,包括小行星、矮行星和其他天体在内的近16颗小行星已经被人类的太空探测器探测过,但“隼鸟2号”是人类的探测器第二次成功地直接着陆于小行星,并取样带回地球的记录。前一个记录来自于当前探测器的前身——“隼鸟号”。

实现太空电梯还要多久?

在2005年的任务中,JAXA发射的探测器成功在小行星系川上着陆,并收集了微小颗粒的样品,这些样品于2010年6月13日被宇宙飞船送回地球。在这5年时间里,日本科学家时刻不停密切监视着“隼鸟号”探测器的一举一动,漫长的旅程也考验着科学家们的耐心,期间出现的意外困难更是数不胜数。

日本科研团队进行太空电梯的实验备受瞩目,很多人甚至开始幻想乘坐电梯进行太空观光的场景。不过,以目前的进展,太空电梯究竟什么时候可以实现?

5、探索太阳系的历史

杨宇光表示,日本科学家目前所做的实验只能说是和太空电梯的相关技术沾边,距离真正实现还很遥远。因为人类目前还没有找到在工程上可行的方案。如果未来某一天有革命性技术出现,开发出了新的材料,它的强度比碳纳米管还要高上万倍,那么建造太空电梯就比较容易了,但是现在无法预见。也有人提出在其他星球建造太空电梯,这也是有可能的,但是现在所有的研究都是一种概念研究,完全贴近工程的研究还没有。

“隼鸟2号”的主要目标是帮助科学家更好地了解太阳系的早期历史和进化,特别是太阳系内部行星——水星、金星、地球和火星的早期历史和进化。这一任务还可以帮助人类了解像“龙宫”这样的小行星在地球生命形成过程中所发挥的作用,这一问题至今仍是个谜。科学家们现在相信,被认为是谜团关键部分的水,可能是从其他小行星输送到地球的。

杨宇光指出,即使无法实现3.6万千米的太空电梯,如果能够在地面建造一座一二百公里高的高塔,也是非常有意义的。因为从地面运送物体去太空需要穿过大气层,这个过程复杂且代价高昂,如果火箭不从地面起飞,而是通过高塔上升到百公里的高度起飞,不仅节省燃料,而且起飞的环境也改善了,那样就变成了真空环境。建造这样一座高塔相比于太空电梯来说更容易,但是目前还实现不了。

在“隼鸟号”成功完成任务之后,JAXA于2013年宣布,从这些样品中发现了大约1500颗地外颗粒,包括橄榄石、辉石、斜长石和硫化铁。

本版采写/新京报记者 陈沁涵返回搜狐,查看更多

美国宇航局也策划了一项类似的任务。NASA的“OSIRIS-REx”探测器于去年12月抵达其目标——直径500米、碳含量丰富的小行星贝努。该探测器计划在2020年获取样本,并于2023年9月将样本运抵地球。

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也许通过更多这样的任务,人类将能够拼凑出生命起源的故事,并找到利用小行星巨大矿产资源的方法。

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