太空电梯设计图(流浪地球二太空电梯设计图)

本篇文章给大家谈谈太空电梯设计图，以及流浪地球二太空电梯设计图对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。2021年11月，国际太空电梯联盟主席斯旺表示，未来太空电梯作为永久性物流基础设施，可将物资和人员运到太空，成为进入太空的新通道。这就是一些国家研究人员正在尝试设计的太空电梯。美国电梯港集团公司的太空电梯广告其中，美国电梯港集团公司正在研制的太空电梯可以一次运送30名乘客，在6个小时内抵达10万千米外的太空。太空电梯必须能防雷击，否则它将容易被斩断。早期的太空电梯设想SAIXIANSHENG俄美积极攻关俄罗斯和美国都在研制太空电梯。

本篇文章给大家谈谈太空电梯设计图，以及流浪地球二太空电梯设计图对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

本文目录一览：

• 1、太空电梯是哪个小说
• 2、为什么太空电梯是矩形状的
• 3、美国“天梯”工程将于多久完工？
• 4、你们说，太空电梯在未来可以实现吗？
• 5、太空电梯何时建成啊？
• 6、太空电梯将成现实，穿梭太空仅需数小时，为什么科学家却感到担忧不已？

太空电梯是哪个小说

《三体》中的太空电梯，有可能成为现实吗？



中科院物理所

回答于 2023-01-21



《流浪地球2》中出现了太空电梯的身影

导读：

刘慈欣的长篇科幻小说《三体》的动画片版已于去年年底在B站上映，电影《流浪地球2》将在今年春节的1月22日开始在全国各大影院闪亮登场。它们有一个共同特点，就是里面都有太空电梯的场景。太空电梯只是科幻吗？会有真正实现的那一天吗？

撰文 ｜ 庞之浩



国外科幻片中的太空电梯

记得小时候看过一本18世纪德国著名的儿童文学作品，书名为《吹牛大王历险记》。书中的主人公为了到月亮上捡回他扔上去的银斧，就在地上种了一粒土耳其豌豆，豌豆苗生长很快，不久就长到天上去了。他顺着豆藤向上爬，仅一个多小时，就成功爬上了月亮。于是，这根能通向月亮的豆藤就永远刻印在了我的心里。幻想总是那么美丽。不过，这美丽的幻想，或许真的能照进现实。

很久以来，人类就梦想通过建造太空电梯上天，并一直不断努力。有研究表明，这个梦想将在本世纪实现。2021年11月，国际太空电梯联盟主席斯旺表示，未来太空电梯作为永久性物流基础设施，可将物资和人员运到太空，成为进入太空的新通道。



太空电梯示意图

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科幻将变现实？

用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道上的平台上，另一端紧紧抓住距地面约3.6万千米、在地球静止轨道上运行的航天器，就可使一个形似电梯的吊箱载着货物、人员沿吊索驶向太空……这就是一些国家研究人员正在尝试设计的太空电梯。

现在，进入太空的主要工具是运载火箭，即通过消耗大量燃料来摆脱地球引力。运载火箭所携带的燃料要占到火箭总重量的90％以上，每运送1千克有效载荷上天平均需耗资至少1万美元。

虽然太空电梯造价昂贵，但不需要动用大量燃料，因此建成之后的运行费用比运载火箭低两个量级，且可像高速公路一样24小时运转，将航天器、物资和包括旅游者在内的人员带到太空去。英国一项测算显示，用太空电梯运送1个人和货物的费用相当于用航天飞机运费的0.25％。国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦表示，利用太空电梯运输，每千克物资运输成本约为500美元，比使用火箭每千克至少要花1万美元更便宜的多。

太空电梯的概念最早由俄国科学家、航天学之父齐奥尔科夫斯基在20世纪初提出，他曾建议利用一个太空绳索系统，在空间站之上形成人造地心引力。此后，俄国早期太空预言家塔斯安德尔也提出在地球与月球之间搭建一条绳索连接的太空电梯，他认为地心引力能够让绳索伸展开来，使其成为用于运送负荷的空中索道。1965年，苏联航天技术总负责人科罗廖夫组织中央机器制造设计局开始为第一个太空绳索设备做准备，打算用一条钢缆将联盟号宇宙飞船与运载火箭的末级进行连接。不幸的是，这一工程在科罗廖夫去世后就被中止。1979年，著名科幻大师克拉克在其小说《天堂喷泉》再次提出太空电梯的概念，并引起了广泛注意，因为它具有理论基础和科学依据，但存在一系列非常复杂的工程学问题，最大的挑战在于没有人能造出数万千米长的超强缆绳。



用气球试验太空电梯绳索

后来，在2003年9月15日在美国圣达菲召开的研讨会上，俄罗斯和美国等国家的70多位科学家和工程师对太空电梯进行了讨论，最终一致认为它将在21世纪内变成现实。这个曾被视为科学幻想的革命性工程近些年有了较大进展，并有多种方案。



美国电梯港集团公司的太空电梯广告

其中，美国电梯港集团公司正在研制的太空电梯可以一次运送30名乘客，在6个小时内抵达10万千米外的太空。一旦建成，目前地球上运程最长、达800多米的迪拜塔电梯无疑将被远远甩入尘埃。

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基本原理简单

2018年9月25日，日本用货运飞船把一对用于世界首次太空电梯试验的立方体卫星送往“国际空间站”。接着又从“国际空间站”释放了这对边长为10厘米的立方体卫星，它们之间用长约10米的缆索连接；然后尝试把一个像电梯吊箱的容器通过电动机转动的缆索从一端移动到另一端。

这是人类首次在太空中移动缆索上的容器，也迈出了人类实现太空电梯的一步。

太空电梯的原理并不复杂，基本上就是用一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球同步轨道的平衡物(如大型卫星或空间站)上。在引力和向心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯将利用太阳能或激光能沿缆绳上下运动。

具体说就是用一根粗大的吊索，一端固定在位于地球赤道的平台上，另一端紧紧抓住在地球静止轨道运行的航天器上，这样就可使一个形似电梯的吊箱载着货物沿吊索驶向太空。

太空电梯由四大件组成：基座、缆索、电梯舱和动力系统。

基座是太空电梯在地面上的基础结构。基座必须选在地球赤道地区，可以建在陆上，如高山顶上或高塔尖上；也能建在海上，像一个巨大的港口，世界各地的旅客和物资通过海、陆、空交通运输源源不断地来到这里，然后乘坐或装上太空电梯的电梯舱运往太空。

缆索是太空电梯的关键技术和设备。制造缆索的材料必须有很高的拉伸强度/质量比，可大规模生产，并且还要造价低廉。

电梯舱是乘坐人员和承载货物的部位，功能跟传统电梯一样，但原理和结构不同。电梯舱虽然也是沿着缆索向上爬，但从天上垂下一根超长的绳子来将电梯舱吊上去是不太可能的，它要“自己想办法”爬上去。最简单的方法是在电梯舱上装马达，带动夹着缆索的一组轮子转动，从而取得向上的拉动力。马达的电源可以从缆索上取得，也能用装在电梯舱上的发电机，但这两种都会增加电梯舱的重量。比较省重量的方法是在电梯舱上安装调谐太阳电池板，然后从地面发射激光将电梯舱“射”上去。

其上升动力有多种方案，可采用太阳能、核能和电磁场等。但目前研究表明，采用激光和微波方式比较合适。



标准的太空电梯升降厢

听起来很美，但如何构建它呢？

首先，要建造一个基座平台，这个平台要位于一个暴风雨、闪电和巨浪较少的海域,还要远离飞机的航线和卫星的轨道。太空电梯必须能防雷击，否则它将容易被斩断。

接着，发射卷有缆索的航天器到太空，让缆索的一端借助重物坠回地面，最终与地球上的平台相连接，同时，另一端连接位于太空的航天器上展开。地球自转时，太空电梯缆索就会产生向上的离心力，而地球的重力将缆索往下拉，这样缆索就平衡了。

最终，将履带轨道固定在缆索的两端，并且依靠从地面发射的激光转换成的电能作为动力加以推动。它将建造成为管状形的通道，沿轨道来回运行时，可以将航天器、各种货物和乘客带入太空。他们可以乘座太空电梯沿管道升降。



运行在地球静止轨道太空电梯的示意图

现在，美国航空航天局和欧洲航天局等著名航天机构都参与到了太空电梯合作中，但令科学家们最头疼的是研发资金短缺。美国航空航天局太空电梯首席科学家爱德华兹估计该项目至少要花费70～100亿美元。



早期的太空电梯设想

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俄美积极攻关

俄罗斯和美国都在研制太空电梯。其基本思路是一样的，不同的是俄罗斯的太空电梯首先考虑的是如何从太空往地球运回物资，而美国提出的太空电梯的重点是从地面向太空运送物资。

俄罗斯拟在月球表面建立永久性基地，然后用太空电梯将货物运至月球基地或者运回地球。尽管这种太空电梯的运行速度非常缓慢，但却可以大幅降低人类进行太空探测的费用。俄罗斯设计的太空电梯由人造卫星、宇宙飞船、有效载荷舱以及细长坚韧的特种索道组成。

欧洲航天局曾委托俄罗斯建造一部可以把太空物资直接从“国际空间站”运回地球的太空电梯。具体方案是：装有货物的太空舱从“国际空间站”通过一根大约400千米长的缆绳送回地球。虽然缆绳很长，但其重量不会超过6千克，是用特别材料制成的。进入大气层后，缆绳会燃烧掉，之后，货物依靠自带的气球继续落向地球。但由于资金等原因,这一项目现已被搁置。



从海上通天的太空电梯

美国西雅图高电梯系统公司的太空电梯项正在进行相关的技术研发。其核心部分是研制一条距离地球表面将近10万千米长的缆绳。其靠近地球的一端将被固定在可能位于太平洋中部某个地方的基站，而另一端将连接到一个在太空中绕地球静止轨道运行的物体上以充当平衡锤，它本身所具备的动力将能够使缆绳绷紧，从而使飞行器等运载工具能够上下穿梭。

在俄美设计的太空电梯中，太空电梯的吊索是一条可两面使用的轨道，其周围包裹着管道，电梯可借助磁悬浮技术在管道内沿吊索的两面上下对开。

由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以目前建造太空电梯的最大障碍是缆索的建造，它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。为此，太空电梯的概念提出后的很长一段时间里，它被认为是不可能实现的，因为不管用多么坚固的材料制造缆索，都承受不了太空电梯的重量而发生断裂。



日本太空电梯绳索试验设备

1990年，美国科学家想到了使用像钻石一样强韧但又高弹的纳米碳管。其初步设想是：支撑太空电梯的缆绳是一束由10亿条、 长达10万千米的纳米碳管制成，每条纳米碳管含有7.2×1017个碳原子。

从理论上讲，1米宽、如纸般薄的纳米管织物便足以负载太空电梯了。科学家认为，用碳纳米管制成缆索可以从近地卫星（甚至月球）悬挂到地面，不会因自重而断裂，可以用来为太空太阳能电站向地面输电，或制作太空电梯。

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日本雄心勃勃

1991年，日本科学家发现了质量轻、强度高的碳纳米管，此后太空电梯这一概念又有可能变为现实，因为碳纳米管的强度是钢材的几十到近百倍。

日本计划从距离地球赤道地面36000千米的地球静止轨道卫星上垂下一条纳米材质的电缆，利用这条电缆，再安装升降电梯，便可以制成太空电梯了。



日本研制的碳纳米管

目前，日本在碳纳米管的开发方面已取得一定进展。上文提到的日本科学家在1991年发现的碳纳米管，就是日本名古屋名城大学的饭岛澄男用通电的碳煤烟研制出来的，这是一种名为巴基球的特殊原子结构。在研究过程中，饭岛澄男发现，各种材料当它的尺度达到纳米级时，它的物理特性如电、磁、热、强度等都会发生很大的变化。碳纳米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，直径只有几到几十纳米，内部是空的。这样的材料很轻，但很结实，密度是钢的1/6，强度却是钢的近百倍。也就是说，一根像缝衣线大小的碳纳米管就能承受一辆汽车的重力。

日本大林建设公司计划在2050建成的太空电梯，该太空电梯由6个长18米，直径7.2米的椭圆柱形电梯间组成，时速约200千米，每次可运送旅客30位。该项目拉动电梯的缆索就将采用比钢坚固20多倍的碳纳米管材料。电梯缆线固定在地表一个定点上，然后利用地球自转的离心力抛出去，另一头系着一个起平衡作用的铅坠。太空电梯电缆的中间部位是一个空间站，站内将建设实验设施及居住的空间。



日本设想的太空电梯

其实，为了取得平衡，避免在地球静止轨道上的空间站因太空电梯太重被拉回地面，保持整体结构的稳定性，在空间站的上面还要装另外一条缆索悬浮在太空中以起平衡作用，从而缓解太空电梯承受的地球引力，即空间站位于电梯缆索的中间部位，站内将建设实验设施及居住的空间。这样，缆索的总长度将达到9.6万千米。

机厢在向太空爬升过程中的动力问题是巨大的挑战。日本拟采用新干线列车技术来解决太空电梯进入太空的动力问题。日本太空升降舱协会有关负责人甚至不无乐观地说，希望未来就像出国旅行一样，人人都可以坐着太空电梯上太空。预计，日本的太空电梯工程总建设费用至少达到1万亿日元。



学生设计的太空电梯概念图

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月球太空电梯

美国科学家皮尔逊曾制定过一个月球太空电梯方案:在运行于月球同步轨道上的卫星和月球表面间建立一个“升降机”，“升降机”由人造复合纤维缆绳拴住，卫星则好像飞翔在太空中的风筝。皮尔逊认为这一设想在理论上是可行的，因为月球引力只有地球的1/6，依靠目前科技水平制造的合成纤维缆绳已经足够满足承担运输工作的强度要求。与此同时，在月球周围也不存在废弃的火箭推进器、卫星以及其它太空垃圾所带来的危险，又使这一计划免除一项后顾之忧。



在这张从太空俯瞰地球的构想图上，人类可以乘坐太阳能（或电磁）交通工具沿着太空电梯出入天庭。

他描述了一幅美妙的月球太空电梯图画：满载物资和补给的缆车顺着微微弯曲的月球太空电梯缆绳从天际中垂直落下，降落在月球的某一地点，地球探险者可以轻松到达月球表面任何角落，寻找地下的固态水。

也许有人会觉得皮尔逊的想法过于疯狂，但美国航空航天局的先进概念研究所却不这么认为。这家独立机构在2004年就资助皮尔逊7.5万美元用于设计其月球太空电梯。



乘太空电梯登天

2014年，由美国航空航天局前工程师迈克尔•莱恩创办的电梯港集团公司宣称，由于在月球上建太空电梯比在地球上建更容易，所以该公司可用现有技术在月球上建造一座太空电梯，并表示这一想法能在较快成为现实。其具体设想是：从月球上空5万千米处垂向月球表面的月球太空电梯，因为月球的引力小，并且月球上基本没有空气，所以可以大大降低对缆绳强度的要求，只需使用一种名叫柴隆（Zylon）的高强度、高耐热性复合纤维，就能实现打造月球太空电梯的梦想。

从理论上讲，制造月球太空电梯的材料会比制造地球太空电梯要轻许多，其缆绳的一端固定在月球表面某个面朝地球的地点。不过，月球太空电梯较小，只能运输200～250千克的货物。如果用它来采集和运输月球矿石标本，则完全足够，这也将使月球采矿和运回地球的成本大大降低。



太空电梯方案之一

建成后的月球太空电梯还可以与地球太空电梯连成一体，将来有一天，人类只需经过几次换乘，就可以乘坐太空电梯从地球抵达月球了。

近年，又有一种新的太空电梯方案问世——可充气太空电梯。根据设计和建造方案，该太空电梯将高约20千米。未来，航天员和运载火箭可先搭乘可充气太空电梯进入位于平流层的电梯顶端发射平台，然后再点火起飞进入太空。它相当于运载器的第一级平台，而且航天器还可以返回塔顶平台加油再重新起飞。这一技术有望为传统火箭节约30%以上的燃料。

长期以来，工程师们一直认为太空电梯研制难度太大，因为没有任何物质能够支撑自己达到太空的高度。然而这种最新解决方案绕开了这个问题。根据设计方案，只需将太空电梯建造到高达20千米的平流层。太空电梯建造到平流层总比直达地球静止轨道高度要容易、可行得多。

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工程困难重重

目前，研制太空电梯最大的挑战是能否以低成本、大规模生产出碳纳米管纤维材料，因为这种材料现在还只是毫米级制品，距实用差距甚远。从理论上说，如果用碳纳米管纤维材料造出直径1毫米的碳纳米绳，该纳米绳就可以承载60吨的重量。迄今为止，科学家仍然无法用碳纳米管编织出长长的缆绳。此外，每克碳纳米管就价值500美元，要制造出一条10万千米长的碳纳米缆绳就十分昂贵了。

另外，向太空发射各种电梯建设材料花费巨大，且如果太空电梯因严重事故崩塌，空中和地面的损失也将十分惊人。

还有，当太阳风向太空电梯施加压力时，来自月球和太阳的重力作用将使绳索变得摇摆不定。这将有可能使太空电梯摇摆造成太空交通障碍，太空电梯也可能会碰撞上人造卫星或者太空垃圾残骸，这样的碰撞将导致绳索断裂或太空电梯失事。为此，太空电梯必须在内部建造推进器，以稳定太空电梯致命的摇摆振动，但这又将增加了建造的难度和电梯建造和维护成本。也有关专家认为，地球磁场可以自然地削弱太空电梯的摇摆振动，用活动锚也可控制绳索摇摆。



太空电梯的基站可以建在海上。

再者，在地球外层、距离地面1000～20000千米的区域，分布着一条强度很高的辐射带，而在穿越该区域的过程中，航天员们可能会受到致命的辐射。如果缺乏有效的防护措施，乘坐太空电梯的乘客将会受到高强度射线的照射。此前，对于从事高轨道航天飞行的航天员们来说，分布在地球外部的辐射层已构成严重的威胁。当年参加“阿波罗”计划的航天员们曾穿越这一地区。由于当时飞船的速度很快，因此他们受到射线照射的时间很短，计量也不足以致命。然而，太空电梯的爬升速度却要慢很多——不会超过200千米/小时。这就意味着，搭乘太空电梯的航天员必须在辐射区中呆上至少3天的时间。对此，虽然科学家们已提出了多种解决方案，但任何一种都存在着这样或那样的缺陷。

有一种解决方案是在太空电梯外部建造一个防护层。但这会是太空电梯变得异常笨重和复杂，难以克服地球引力的影响。



太空电梯会受到太空垃圾的袭击

另一种解决方案是将起始平台设在远离赤道的地区，这样辐射带的强度就不会太过强烈。但专家们认为，即使这样，仍无法确保航天员不会受到致命剂量辐射的伤害。况且，如果太空电梯的起始点太靠近北纬45°地区，那么地球旋转所产生的离心力将会使固定太空电梯的缆绳偏向南方，同时，它还会受到各种恶劣天气条件的影响。

还有科学家提出可在太空电梯周围构建一层人造磁场。通过这种方式将可有效抵御各种危险的射线。但此举会严重削弱太空电梯的升力，导致向太空运送物资和人员的能量消耗大幅度增加。



科幻片中太空电梯基座

太空电梯还会面临许多安全问题需要解决。例如，雷击、流星、太空碎片、飓风、原子氧等，其中有的已经有对策了。例如，有两种办法可使太空电梯免遭雷击：其一是将太空电梯的基座选在地球上的无雷区，因为地球上有些地区常年无雷；其二是将太空电梯的基座建在6000米高的山顶上，因为在此高度一般很少发生闪电。对付太空碎片的办法是：对太空垃圾进行密切的跟踪和监视；采用移动基站，使缆索避开太空垃圾的撞击；在500～1700千米这一段增加缆索的厚度。对付飓风的办法是将基座建在没有飓风的区域，或者增加缆索的强度。

另外，由于建造太空电梯所用的碳纳米绳技术过难，成本过高，所以地球太空电梯至今仍停留在美好的蓝图阶段，但月球太空电梯有可能先问世。如果地球太空电梯取得突破性进展，人类就将走进大众太空旅游的新时代。

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结语

目前，碳纳米管和超强石墨烯被认为是建造太空电梯缆绳的理想材料；在设计方面，科学家目前已提出8个比较稳健、合理的科学设计方案；在工程方面，一些国家的科学家已开展一些小型实验并准备深入验证。我国清华大学魏飞教授团队曾成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新的世界纪录。相关内容近日在线发表在国际著名期刊《美国化学会纳米》上。



艺术家笔下通往天堂的太空电梯

国际太空电梯联盟主席斯旺在2021年11月介绍：根据目前设计，太空电梯攀爬速度约为每小时200千米。未来，随着缆绳加长、轿厢攀爬速度加快，预计8天可到达地球同步轨道，14天可到达月球，61天可到达火星。斯旺认为，未来人类建火星村、月球村需要发射大量物资到太空，星际旅行也备受期待，太空电梯非常具有商业竞争力。太空电梯用太阳能驱动，不像发射火箭那样消耗大量化学燃料，而且太空电梯产生空间碎片的可能性很小，是一条绿色天路。

国际太空电梯联盟副主席莱特称，火箭发射不会因此被抛弃，因为火箭比太空电梯速度更快，能迅速穿越辐射带，已经有人提出以“太空电梯+火箭”的方式运输，实现互补。

根据目前的科技水平和发展速度看，有人预计太空电梯将在2050—2100年投入业务运营。

参考资料：

为什么太空电梯是矩形状的

太空电梯是一种独特的空间结构，其设计以矩形形状为基本构造元素，以适应太空空间场景的特殊性，且其稳定性更多。此外，太空电梯的结构也有利于传输、安全性及易操作性。

美国“天梯”工程将于多久完工？

差不多要10年　 添加新图片天梯，又译空间电梯，是一种低成本将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。这个方案旨在建造一部称作天梯的运输工具。 对于建造在地球上的天梯，平衡锤需要位于距离地面至少3.6万千米上空，使用3.6万千米长的缆绳与地面连接。这种缆绳必须十分结实，目前已经的材料中，只有碳纳米管可以胜任。包括平衡锤和缆绳的质心位于地球同步轨道的高度，同时为了保证整个装置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同时应该尽量选择商业飞行较少的区域，以避免飞机与缆绳或货舱相撞，同时缆绳和货舱还必须能够抵御来自风和闪电的袭击。对于建造在月球上的天梯，要求相比地球要低，因为月球重力较小，且没有大气因素影响，自转速度较慢，且为同步自转。这种条件下，平衡锤可以建造在月球和地球的引力中点，即月球的拉格朗日点上。天梯的概念最初出现在1895年，但是甚至就在几年前，它还仅仅只是一种科学幻想，因为找不到一种合适的材料来制造足够强度的缆绳。随着近年纳米技术取得的突破性进展，建造一部现实的天梯已经成为可能，预计其建造成本约100亿美元，远少于超过国际空间站或航天飞机计划的投资。 组成 平衡锤：平衡锤是一个比较重的物体，放置于同步轨道上方。 缆绳：缆绳是一条十分长且结实的绳子，上粗下细，用于连接地面与平衡锤。 货舱：货舱用于装载货物，它可以顺着缆绳在空间和地面之间上下移动。 地面基站：地面基站用于将缆绳固定在地面上，并为货舱的移动提供能源，能量通过激光传送到货舱。 核心部件 天梯概念艺术图天梯的核心部件将是碳纳米管合成缆绳，它只有几厘米宽，几乎只有一张纸那么厚。碳纳米管发现于1991年，它的发现使科学家认为天梯是能够建成的。Spaceward Foundation的布拉德利·爱德华兹（Bradley Edwards）博士称，“以前，找到合适的材料难度太大了。但现在，我们离实现这一目标越来越近，因为在制造碳纳米管和有效的拉丝机方面都取得了进展，这种拉丝机能将制作伸向太空的缆绳所需的材料拉得足够长。” 碳纳米管在强度上可能会比钢高100倍，但却像塑料一样柔韧。碳纳米管之所以会有如此高的强度，是因为它们具有类似于足球的独特结构。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维，那么就有可能制作出形成天梯缆绳所需的细丝。以前考虑的材料要么是强度不够，要么是不够柔韧，无法制成缆绳，而且易断。 太空电梯公司的研究主管汤姆·纽金特（Tom Nugent）说，“这种材料具有非常高的弹性模量，并且它们的抗张强度也非常高，而且，理论上使天梯相对容易建造的所有材料特性，这种材料都具备了。” 有两种方法可以制作缆绳： 用数米或更长的长碳纳米管编成类似绳子的结构。截至2005年，最长的纳米管也只有几厘米长。 可以将较短的纳米管置入到聚合物基中。目前的聚合物与碳纳米管之间结合得不够紧密，因而在拉紧时会将基质拉离碳纳米管。 一旦制作出长碳纳米管缆绳，就会将它缠成一个轴状物发射到轨道中。当太空船载着这个轴状物飞至特定高度（可能是近地轨道）时，它就会开始将这个轴状物散开，使缆绳落回到地球上。同时，这个轴状物会继续向上运动到更高的高度。当缆绳落入地球的大气层时，就会有相应的装置捕捉到它并使它继续下落，最后将它锚定到海洋中的一个移动平台上。这条缆绳有点像铁轨，将用作进入太空的航线。这样，就可以用机械升降机顺着这条缆绳上升到太空中。 使用 升降机尽管缆绳仍是一个处在概念阶段的部件，但天梯的所有其他部件均可以利用现有的技术制造出来，这些部件包括机械升降机、锚站和光束动力系统。到缆绳制造出来时，其他部件也差不多都准备好了，在2018年左右即可实现发射。 升降机 机械升降机将顺着缆绳升入太空。升降机上的滚轮夹紧缆绳，滚轮胎面与缆绳之间的摩擦力往下拉绳索，这样，摩擦力产生的反作用就会使升降机得以顺着天梯向上攀爬。 锚站 锚定平台天梯的下端将连在赤道附近的太平洋海域中的一个移动平台上，该平台将缆绳锚定在地球上。 平衡站 缆绳的最顶端将有一个很重的平衡站。在早期的天梯计划中，曾考虑捕捉一颗小行星并将它用作平衡站。但是，在太空电梯公司和科学研究所（ISR）最近关于天梯的计划中，多数还是考虑使用人造平衡站。实际上，可以将用来制造缆绳的设备（包括用来发射缆绳的太空船）组装成平衡站。 动力光束 升降机将利用位于锚站或锚站附近的自由电子激光系统来提供动力。ISR称，这种激光会将2.4兆瓦特的能量传送给附着在升降机上的光电池，这种光电池可能由砷化镓（GaAs）制成，然后光电池可以将这些能量转化成电能以供传统的铌磁直流电电动机使用。 一旦投入使用，升降机几乎每天都可以在天梯上往返运动。升降机的大小各异，最初为5吨，最大可达20吨。20吨重的升降机的有效载荷可达13吨，其内部有900立方米的空间。升降机将以约190公里/小时的速度顺着缆绳向上运载货物，所运货物从人造卫星到太阳能电池板，五花八门，最后它还将载人上天。 保持正常运转 位于100,000公里的高空中时，天梯将很容易遭到包括天气、空间碎片和恐怖分子在内的许多危险因素的破坏。随着天梯从计划阶段走向设计阶段，开发人员开始考虑这些危险因素及相应的克服办法。实际上，为了确保始终都有可以使用的天梯，开发人员计划建造多个天梯。从第一个天梯开始，后续天梯的建造成本将依次递减。第一个天梯将用作其他天梯的建造平台。开发人员通过这样做来确保在某一个天梯遇到问题的情况下，其他天梯仍能继续向太空运送人员和物资。 避开空间碎片 与空间站或宇宙飞船一样，天梯将需要具备避开碎片、人造卫星等轨道物体的能力。锚定平台将采取主动回避措施来保护天梯免遭此类物体的破坏。目前，北美防空司令部（NORAD）所跟踪物体的大小都在10厘米以上。保护天梯需要配备轨道碎片跟踪系统，它能够探测到大小为1厘米左右的物体。目前正在为其他空间计划开发这项技术。 “我们的计划是将缆绳锚定到海洋中的一个移动平台上，”太空电梯公司的汤姆·纽金特（Tom Nugent）说，“实际上你可以来回移动锚定点的位置，从而将缆绳拉离人造卫星的航道。” 防御攻击 将天梯置于偏远位置将是降低恐怖分子攻击风险的最佳方法。举例来说，第一个锚定点将位于赤道附近的太平洋海域，与任何空中航线或海洋航线的距离至少为650公里，这是太空电梯公司透露的信息。任何攻击都只能威胁到天梯的一小部分装置，即15公里处及以下的所有装置。此外，天梯将是十分宝贵的全球资源，可能会受到美国及其他国家/地区军队的保护。 研究进展 太阳景观的概念艺术图天梯对全球带来的潜在影响力堪与另一项伟大的运输成就美国洲际铁路相媲美。这条洲际铁路于1869年在美国犹他州的普瑞蒙特瑞（Promontory）竣工，它首次连通了美国的东海岸和西海岸，加快了美国西进运动的进程。这条铁路建成后，横贯全美的旅行只需几天就可以完成，而在此之前则需数月。它还开拓了新的市场，诸多全新的产业皆因它而兴起。到1893年，美国已建成五条洲际铁路。 天梯这一想法与洲际铁路有许多相通之处。天梯将开创地球与太空之间永恒的连通之门，这道门永远都不会关闭。虽然它不会加快太空之行的速度，却能使太空与地球之间的往来更为频繁，并将开创一个崭新的发展时代。天梯的建成将大大降低向太空运送货物的成本，或许这就是促成天梯这一想法的最大动力。尽管天梯的升降机比采用化学推进的宇宙飞船慢，但这种升降机却将每公斤的发射成本从22000到44000美元降到900美元左右。 据“天梯——NIAC第二阶段最终研究报告”（The Space Elevator, NIAC Phase II Final Report）的作者布拉德利·爱德华兹透露，目前估算的天梯建造成本为60亿美元，法律法规方面的费用为40亿美元（爱德华兹就是布拉德利·卡尔·爱德华兹博士，他是“碳设计”（Carbon Designs）公司的总裁和创始人。）。相比之下，1971年预测的宇宙飞船计划的成本为52亿美元，但最终却耗费了195亿美元。此外，宇宙飞船每飞行一次都要耗费5亿美元，这一数字超过当初估算的50多倍。 天梯可能会取代宇宙飞船成为主要的航天器，并将用于人造卫星部署、国防、旅游和其他开发。再往后，太空船将顺着天梯的缆绳攀升至太空中，然后再朝向其主目标发射。这种发射方式所需的燃料更少，因为它省下了采用传统方式发射时冲出地球大气层所需要的部分燃料。有些设计人员还认为，天梯可以建在包括火星在内的其他行星上。 NASA曾资助爱德华兹博士的研究长达三年。但在2005年，它仅给研究天梯的各家公司提供了2800万美元的奖金。尽管它仍然非常关注这一计划，但眼下它更愿意静观其变，等待出现更为实质性的进展。

你们说，太空电梯在未来可以实现吗？

在上个世纪，人类做了一些相当了不起的事情。莱特兄弟在1903年发明了第一架飞机之后，我们仅用了66年的时间就将一个人送上了月球。我们的工程和科学能力显然令人惊叹，但也许是时候让我们来看看超越以往任何想象的挑战了……也许现在是时候建造太空电梯了。

什么是太空电梯呢？

太空电梯的概念最早是由康斯坦丁·齐洛夫斯基（Konstantin Tsiolovsky）于1895年提出的，他是同一位绅士，他提出了著名的“火箭方程式”，将火箭送入太空（从根本上说，他对太空事业的贡献是巨大的）。

齐奥洛夫斯基的太空电梯概念是受埃菲尔铁塔启发的，埃菲尔铁塔大约在同一时间建造。

他想知道人类是否可以建造一座足够高的塔，塔的顶端可以延伸到太空中很远的地方，这样我们就可以不用发射火箭到达那里，而只需跳上这座高得离谱的建筑上的电梯，越过重力的屏障到达恒星！

目前，世界上最高的建筑是迪拜的哈利法塔，高达829.8米（2722英尺）。它保持着人类创造的最高建筑的纪录，超过了此前华沙无线电桅杆646.38米（2120.7英尺）的纪录，后者在建造过程中实际倒塌。可行的太空电梯必须至少高达35,786公里（22,236英里），这是物体到达地球静止轨道的高度。相比之下，如果哈利法塔只有一个咖啡杯的高度（8.25厘米），那么太空电梯的高度将是3.56公里—比哈利法塔实际高度的4.3倍还要高！

哈利法塔，图片来源：mafengwo

对地静止轨道是从地球表面到赤道的高度，物体完成一个轨道所花费的时间与地球的旋转周期相同，即一天。从本质上讲，这意味着，如果您乘坐的航天器在地球静止轨道上，就在地球某个点的正上方（比方说，印度尼西亚的坤甸就在赤道上），那么您永远都不会相对于该点移动。因此，如果您向下看，这座城市将始终保持在您下方，如果您在轨道上，该城市将永远不会相对于您移动。

太空电梯应该由什么来制作呢？

记住，36000公里（达到地球静止轨道）是我们需要达到的最低高度，太空电梯才能正常工作。然而，质量中心必须在地球静止轨道高度；再低一点，系统就会变得不稳定。理想情况下，太空电梯的高度约为100000公里（62000英里）。想一想……我们说的覆盖距离实际上是到月球距离的三分之一！在这段距离内，我们将不得不开始建造太空中的大部分电梯，还有几艘大型宇宙飞船和数千人在零重力下建造这座塔。

请记住，36,000公里（到达对地静止轨道）是我们使太空电梯正常运行所需的最低高度。

但是，质心必须在对地静止轨道高度上；稍微低一点点，系统将变得不稳定。理想情况下，太空电梯的高度约为100,000公里（62,000英里）。想一想……我们正在讨论的距离实际上是距月球距离的1/3！在这样的距离下，我们将不得不开始在太空中建造大部分的电梯，这依靠着几艘大型太空飞船和成千上万的人在零重力下建造塔的努力。

另一种方法是将一个巨大的色带线轴发射到对地静止轨道上，然后将其向下放到地球上，而另一个线轴被向上释放（远离地球）以抵消力并停留在轨道上。最初的飞船将停留在对地静止轨道上，并有长电缆沿两个方向延伸。这个想法看起来像是科幻小说中的东西，它似乎也确实是这样。这项工作所需的工程和材料技术比我们目前的能力要先进得多。

太空升降机需要极高的抗拉强度，才能抵消将这个巨大的100,000公里结构拉下的重力以及将其拉动的配重的离心力和惯性（我们一会儿就会了解到）向上。它需要在极端高温和低温，来自大气的不可预测的力以及来自外层空间的辐射中保持稳定并发挥功能。最重要的是，它必须在不断撞击的微小陨石和太阳风粒子中存活下来。是否确实存在满足所有这些要求的物质？我们认为碳纳米管可能是答案。

碳纳米管

碳纳米管是纳米工程的圆柱形碳结构；自然界中，我们无法找到它们，而且它们很难制造。它们是迄今为止发现的最坚硬、最坚固的物质，而且具有很高的抗拉强度，这正是我们需要的那种太空电梯材料。它们也具有导电性，因此我们无需铺设额外的电线即可为攀登者或电梯供电。

然而，即使碳纳米管电缆有着巨大的强度，碳纳米管电缆也只能在破碎前支撑其自重约5000至7000 km，远远小于太空电梯所需的100,000 km。话虽这么说，技术的进步最终可能使我们达到可行的阶段，以生产出正确的材料或操纵我们已经拥有的材料。

配重

太空电梯的顶部也将需要配重。换句话说，电梯必须被固定在非常重的物体上，就像它被固定在地底一样。你建造的电梯越高，这个配重就需要越轻，以抵消你增加到电缆本身的额外质量。配重是确保地球静止轨道高度以上的质量与其以下的质量大致相同所必需的；因此，向上拉动系统的离心力等于向下拉动系统的重力。

如果我们建造最小高度为35,786公里（22,236英里）的太空电梯，则配重将需要很大，像月球大小的三分之一那么大。一种方法是捕获一颗小行星，并将其带入环绕地球的轨道，这时我们可以建造通往它的电梯。如果大约在6500万年前有伟大的人类工程师，那么消灭恐龙的小行星也许可以用来建造太空电梯……

如果您的电梯高度超过50,000公里，它的顶端会绕着地球快速移动，达到所谓的逃逸速度，即你将飞出绕地球轨道的速度。在那一点上，你可以简单地跳出电梯到达月球，尽管你的轨道计算必须非常精确才能避免漂浮到太空之中。如果恒星（或行星）对齐，那么使用延伸到100,00 km的电梯，您将有足够的速度来计划前往木星。

如果这么难，为什么要建造一个太空电梯呢？

所有这些问题似乎收效甚微。考虑到物理、科学和经济的限制，建造太空电梯几乎是不可能的。再者，有必要吗？我们已经能够把东西送上太空，国际空间站上也有人居住（尽管他们在大约450公里的近地轨道上，而不是100,000公里）。答案是成本。目前，将一磅（0.45公斤）的有效载荷送入环绕地球的轨道大约需要10,000美元；对于星际旅行，这笔费用会高得多。建造太空电梯后，发送相同有效载荷的成本将在90美元左右，成本降低99%。

建造太空电梯将是人类迄今为止最雄心勃勃的工程。这使得莱特兄弟的成就相比之下显得微不足道，尽管意义不小。人类似乎总是通过自己的工程能力找到超越自己的方法。我们总是在寻找下一个要克服的障碍，下一个要克服的挑战。也许建造太空电梯需要的技术和人力是我们今天根本无法想象的，但不要忘记，150年前，飞行对人类来说仍然是一个遥不可及的梦想。从这个角度看，真的不知道我们离建造100,000公里的太空电梯有多近！

太空电梯何时建成啊？

地球太空站主要由太空电梯、A城B城C城、D城和E城等组成。

C城也叫太空工厂，位于太空电梯的中部，距地面35780公里，C城与太空电梯的连接是软联结。这里有太空加工厂、太空轴承厂、太阳能发电站、飞船组装中心，太空望远镜和人造月亮等，各个单元之间相互连接，形成了一个以地球中心为球心的巨型球面。第一个太空电梯建成后20年内，太空工厂将会达到面积200平方公里、重量250万吨，向地球输送70GW（7千万千瓦）的电力；还将完成第一座10万平方米的太空城市的制造；还将建造另外二个太空电梯（以便进一步提高运输能力和提高抗风险能力），还将完成一架月球太空站的建造。

A城：位于赤道附近的地面上，与一般的城市的主要区别是有：防空中心、防雷系统、托盘编组站和天梯指挥中心。A城也可能是一个可移动的海上平台。

太空电梯：由两部分组成：吊天梯和甩天梯。太空工厂以下为“吊天梯”，以上称作“甩天梯”。

吊天梯：由导轨、中转站、托盘和驱动系统等组成。其中导轨材料的研发成功是整个地球太空站成为可能。整个吊天梯的高度为35780公里，一端连接A城（在地面），另一端连接C城，导轨上分布着35个中转站。吊天梯主要的功能是：将地面上的物资和人员送往C城，它是双向的，返回的主要作用是使运载托盘形成闭路循环，往复循环使用，同时也返回一些人员和“太空垃圾”等，是C城“发展壮大”的交通枢纽，远离地面的一些中转站还可以用来发射不同高度要求的卫星。托盘在天梯上的运行采用超导磁悬浮，运行速度1000kg/h，最大运载能力240t/d。

甩天梯：也是由导轨和中转站等组成。他的主要作用是“支撑”吊天梯的空中一端。它的长度是74000公里，它的一端在C城位置与吊天梯相连，另一端与E城相连。它也是双向的，但是他的运输量很小，它的每一个中转站都能用来发射卫星，其中一个中转站叫“月球站”，其他还有“土星站”……“火星站”等等，同时这些中转站还能用来回收太空卫星。

月球站：在月球站发射的卫星，可以直达月球的引力范围，不再需要其他动力火箭加速或提升，只需轨道调整即可，巧的是，从月球返回的卫星，也刚好可以落在月球站。这与目前的火箭方式相比，发射一次的代价连零头都用不了。另外，在这里发射或接受飞船，每天都有一次机会可以选择，几乎不受地面天气的影响。

导轨的材料选用碳纤维，上面覆有供驱动和固定用的电磁材料，总共有2.5×108kg（材料耗资约20亿美金），截面的形状和尺寸见图，由于导轨上不同的高度位置所承受的拉力不同，所以不同的高度位置采用不同的厚度（等强度设计，在这里非常重要，否则优质碳纤维将无能承担导轨材料这一重任）：吊天梯的导轨有7.1万吨，采用优质碳纤维，其工作拉应力为15GPa，地面位置的厚度为0.08mm，承受180吨的拉力（空负荷时180吨，重负荷时40吨）；C城位置的厚度1.80mm，承受4100吨的拉力；甩天梯的导轨采用普通碳纤维（主要是对高温和低温性能要求很高），其工作拉应力为7.5GPa，C城位置的厚度是3.65mm，承受4100吨的拉力；E城位置0.06mm，承受68吨的拉力；

B城和D城分别位于距离地面34000km和37700km，其重力加速度都是0.3m/s2，是地球的1/33。当你站在人一个太空站上往“天上”看，都能透过太空工厂看到另一个太空城，所不同的是，其中一个还能看到一个巨大的星球在天空，那是……（废话）。这两个城集生活区、工作区和农场为一体。

E城位于太空电梯的顶端，距离地面110000公里，质量为1150吨，是整个地球太空站中最小的城市，其重力加速度为0.59m/s2，是地球表面的1/17。在这里发射的卫星，速度可达8.4km/s（远大于2.6的宇宙第二速度，可以抵达太阳以外公里的地方）。将来，随着通讯和控制技术的提高，利用E城和甩电梯协调发送多极组合式火箭，使得造出30km/s的宇宙飞船变得容易多了。

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太空站的建造：初期是太空电梯的建造，其他部分有了太空电梯就方便多了。

太空电梯的建造：导轨和其相应的空中太空电梯加工安装设备等零部件共计1.3 ×108kg，需要将其所需的材料统统运到距地面以上35780公里的同步轨道上，在那里由太空轨道安装中心向沿上下两个方向建造导轨。

很显然，这么多的物质运到太空很不容易，用现有的航天运载工具是很不划算的，很现实的办法是在安装太空电梯之前，先安装一个小型的太空电梯，用它来运输未来的太空电梯，同样道理，在安装小型太空电梯之前，还应该有一个微型太空电梯，而微型太空电梯所用的导轨材料不是廉价的碳纤维，而是昂贵的碳纳米管（可你说，没有像碳纳米管这样的材料，一切都将没有希望）。

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地球太空站是一道靓丽的风景线，空中的C城让地球上40%地方夜晚“伸手不见五指”成了过去，即使在白天，也有可能找到她；晚上，它是仅次于月亮的第二明亮的“星星。

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到月球的路线是：从A城乘坐太空电梯，路过B城、C城和D城，两天后到达月球站，在月球站转乘地月太空飞船，飞抵月球太空站的“地球站”，然后乘坐月球太空站上的太空电梯到达月球表面，返回的路线，不用我说了吧？往返票价：150000美元。

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月球太空站：月球的太空电梯式太空站最有特点，它的伸向太空的一端刚好永远指向地球，不过，虽然月球的引力小，但是实际在它上面建造太空电梯的费用却比在地球上要大几十倍（同等规模），其主要的原因除了月球距离我们遥远以外，还有一个很重要的原因就是月球的自转速度很小。因此，在140年内在月球上建造太空电梯，远不如在月球上直接采用火箭输送更合算。其实，等地球上有了太空电梯，加上月球的引力小，月球上的火箭输送费用将会小到让我们感觉非常轻松。

太空加工厂：主要是将由吊天梯送上来的原材料（或成品、半成品零部件）进行加工、组装，主要是太空工厂所需的设备。比如太空轴承厂、太阳能发电站、飞船组装中心，太空望远镜和人造月亮以及太空加工厂自身所需的装备和太空公路系统等。

太空轴承厂：制造人类所需的高精度、高速、重载轴承的钢球。

太阳能发电站：在太空工厂上的太阳能光电发电，相同面积时其发电量是地球的5倍，而且太空上有的是廉价的“地皮”，在失重的条件下可以大大减少材料消耗，大量的使用还能降低光电板的费用、提高其效率。该发电站除了自用以外，更多的将通过微波的方式送往地面供人类使用。

飞船组装中心：

太空望远镜：这里的每一台太空望远镜的能力是哈勃望远镜的10倍以上，而成本却比“哈勃”还低2倍。

和人造月亮：地球上每一个10万人以上的居住区都将拥有自己的“人造月亮”，其亮度为“满月”时的亮度，而在一些需要的地区（比如灾区）， 数十个（或100个）人造月亮能把那里变得像路灯下一样明亮甚至更亮。由于它利用的是阳光，太空的金属材料不容易腐蚀和疲劳，同步轨道上调整角度既方便又省力，所以基本上是一种一劳永逸的事情。

导轨材料及形状：导轨的材料是太空天梯的关键，除了性能需要考虑以外，成本上主要要考虑两大块：一个是发射费用，另一个时材料本身的成本。就目前而言：

1. 用火箭送往同步轨道的费用是7~10万美金/公斤；

2. 上述的太空电梯，其运输成本只有15美元/公斤；

3. 碳纳米管的抗拉强度2×1011Pa,密度1200公斤/米3，目前尚没有能成功的制作出所需的形状，有待于开发，但是希望是很大的，只是时间问题，目前成本3万美元/公斤（由于本项目需求量极大，有望突破1万美元/公斤），截面抗拉成本为6×10-5美元/米牛顿；

4. 碳纤维的抗拉强度1.5×1010Pa,密度1000公斤/米3，目前成本10美元/公斤，截面抗拉成本为6.7×10-7美元/米牛顿。

可见，在运输成本上，太空电梯只有火箭的1/5000，在材料成本上，碳纤维只有碳纳米管的1/100，因此，在建造第一个太空电梯的时候，所用的导轨材料必须用火箭送往同步轨道，这时选用碳纳米管最佳，而且规模不能太大。而以后的太空电梯，由于可以采用先前的太空电梯来运输，运输成本大大降低，就可以选用廉价的碳纤维做导轨，规模可以愈来愈大，数量愈来愈多，而成本确愈来愈低。

（可以这样的形象比喻：地球火箭在生命的最后才疯狂到了极点！）

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太空电梯将成现实，穿梭太空仅需数小时，为什么科学家却感到担忧不已？

无论是在中国还是国外，高层建筑一般都配备电梯，这大大方便了居民的进出。从这个角度来看，电梯也被认为是20世纪的一项伟大发明。一些科学家认为电梯的应用不仅仅局限于地球，也许将来人类可以将其应用于航天工业。当许多网民听到这个想法时，他们不禁要问:这是什么样的天马行空的想象？事实上，一些科学家已经提议在太空“安装”电梯，这可以极大地方便人类在地球和太空之间穿梭。

据说提出这个想法的科学家来自日本。经过大量的研究和仿真设计，他终于提出了一种叫做“太空电梯”的模型。空间电梯不同于模型中高层建筑使用的电梯。它由四部分组成，即底座、绳索、电梯舱和空间站。底座固定在地面上，电缆连接底座和空间站，为升降舱提供升降空间。电梯舱是运送人类的交通工具，它的目的地是空间站。这位日本科学家表示，如果该模型成功应用于航天工业，将大大减少空间事故的发生。

许多网民表达了对日本科学家大脑的钦佩，并且可以想到这样一种装置。事实上，日本十年前就已经提出了“太空电梯”的概念，并且还成立了相关的协会。

然而，日本提出“太空电梯”计划已经有十年了。从目前的情况来看，这个项目进展不大。原因之一是找不到合适的材料来制作绳索。因为地球一直在旋转，如果你想建造太空电梯，你还必须让电梯随地球一起旋转，这是对太空电梯绳索的巨大考验。根据对硬度和韧性的要求，日本科学家还没有找到合适的材料。

太空电梯设计图的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容，更多关于流浪地球二太空电梯设计图、太空电梯设计图的信息别忘了在本站进行查找喔。