太空(宇宙)电梯(2020.04.08)

最近呢,深深的喜欢上了一个女生,代号丸子,她喜欢看YouTube的"老高与小茱"。出于爱屋及乌,我这个从高中就断了物理化学知识的科学盲终于下了狠心,每一个video都要仔细研究。

背景

太空电梯(space elevator),是由苏联火箭🚀科学家Tsiolkovski, Konstantin Eduardovich(康斯坦丁·爱德华多维奇·齐奥尔科夫斯基1856.09.17~1935.09.19)于20世纪70年代提出。太空电梯主要由空间站及连接空间站和地球表面的线缆,如下图所示:

相关公式

万有引力公式:F=\frac{G·m_1·m_2}{r^2}
向心力公式:F=m·\frac{v^2}{r}
人造卫星:
\frac{GMm}{r^2}=m\frac{v^2}{r}=m\omega^2r=m\frac{4\pi^2}{T^2}r=m\omega v

技术要点

1. 地球表面的基站必须在赤道上空

太空电梯搭配的空间站可以理解为地球同步卫星,地球同步卫星需要轨道周期和地球的自转周期相同即一个恒星日(约23h56m4s),距离地面约35,786 km。

这时候就有女读者要问了:盛哥盛哥,为啥一定要在赤道上空呢?同步卫星既要绕地球自转轴转动,同时又要以地心为圆心做圆周运动,不然离心力和地球引力的方向不是正好相反的。其次呢,赤道是地球上重力加速度最小的地方,节约能源。

这时候女读者又要问了:盛哥盛哥,为什么地球同步卫星距离地球的高度固定呢?通过下面的公式计算出来的👇
\begin{cases} \omega_{地球}=\omega_{卫星}=\frac{2\pi}{24·3600} \\ \frac{GMm}{(R+h)^2}=m\omega^2(R+h) \end{cases}

2. 太空垃圾

地球大气层外存在着星体碎片,然而更多我们要考虑的是卫星、废旧卫星产生的太空垃圾,虽然大部分落到大气层燃烧殆尽,但还是存在着很多运行在轨道上(值得注意的是,我国制造了近40%的太空垃圾)。太空垃圾的运行速度极快,根据动能公式F=\frac{1}{2}mv^2再轻的东西只要速度够快产生的冲击力也是非常可观的。

3. 电梯上升产生的剪切力

正常卫星🛰️发射后的上升路线是曲线的,因为可以利用地球自转速度,从而实现节省能量少带推进剂的目的。如果非要垂直上升,必须要一直达到地球第二速度,需要大量燃料。跟我的好朋友色黄(物理学博士)聊了会,觉得在垂直的索道上升电梯也会产生巨大的剪切力,这咋克服。

4. 轨道/绳索

绳索需要巨大的长度、极高的强度、耐腐蚀、抗剪切、抗疲劳性能,目前最最合适的是碳纳米管,然鹅目前能造出的长度还超不过1米。

5. 推进/拉取所需的能源

推进到太空,不还得用火箭🚀...

从太空拉上去,这得攒多少太阳能啊....

不过色黄给我介绍,他师兄目前在研究空间太阳能电站,即在太空中将太阳能转化为电能,电能转化为微波传输回坐落于赤道的的基站,转回电能,哈哈哈,个人感觉也没特别大实用价值,但是国内外对这块投资还蛮大。

所以吧,感觉完全不可能~

Reference

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