Astronomy 版 (精华区)

发信人: wxl (小亮), 信区: Astronomy
标  题: 星际旅行的发动机(8)
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr  8 13:18:39 2005), 转信

　　星际旅行需要一些配合的手段，需要把物资运送到近地轨道空间(或者未来其他星球的近地轨道)装船或者在那里组建飞船。之所以这么做，有些是因为某些类型的飞船无法在地面起飞，有些是因为飞行方式污染地面环境。我们目前可以用运载火箭来达成这个目的，但运载火箭的缺点太多，最主要的是无法重复使用，每次都完全废弃，然后再造新的。航天飞机好一些，但每次都需要丢弃一个庞大的燃料箱，尽管在建造上已经把那个燃料箱的成本压到最低，而且垂直起飞的方式也不方便。


空天飞机 
 
　　未来的首要解决方式会是空天飞机，这是一种如同普通飞机一样可以水平起降，可以重复使用，还能进入轨道的飞机。目前的可行方案是发展Scramjet，也就是超音速燃烧冲压喷气发动机(Supersonic-combustion ramjet)，这个冲压喷气发动机和星际冲压发动机原理类似，只不过星际冲压发动机是通过高速获取氢燃料，这个冲压发动机和普通的冲压喷气发动机(ramjet，比如导弹上用的)是通过高速来获取氧气。Scramjet只在超波音速(Hypersonic，指5马赫以上的速度)的情况下才发挥作用，因此，空天飞机的运作方式如下：

　　1. 使用涡轮喷气发动机，使飞机起飞达到1马赫，进入超音速，让普通的冲压发动机(ramjet)开始点火；
　　2. 普通的冲压发动机将飞机加速到4马赫，然后Scramjet点火；
　　3. Scramjet将速度提高到15马赫，然后火箭发动机点火；
　　4. 火箭发动机将飞机加速到25马赫，获得逃逸速度，从而开始太空任务。

　　这种运作在未来可能会进一步简化，但总之空天飞机是没什么新意的东西。也许未来让飞船使用离子发动机，或者无污染的核发动机直接起飞更具有前景。作为近地空间同星球上的交通运输方式，克拉克在科幻小说《天堂的喷泉》中提到过的“太空电梯”是个看来更好的主意。


太空电梯 
 


　　太空电梯这个概念最早来自100年前，著名的火箭科学先驱者齐奥尔科夫斯基(Knostantin Tsiolkovsky)设想了一个建立在巨塔顶端的“天空城堡”(或许圣经里的巴别塔更早，不过那里没电梯)。不过真正从技术角度描述了这个问题的是阿瑟·克拉克，他在上世纪70年代末设想了延伸到太空的电梯，并以此写出《天堂的喷泉》('Fountains of Paradise')，描述了在一个热带岛屿建造一个太空电梯的故事

　　太空电梯的主体是一个永久性连接太空站和地球表面的缆绳，可以用来将人和货物从地面运送到太空站。而且，太空电梯还能用做一个发射系统，因为太空电梯必然被地球带动旋转，而越高的地方速度越快，所以将飞船从地面运送到大气层外足够高的地方，只要一点加速度就可以起航了。或者如前面说的，用太空电梯把零部件带上太空站，在那里组装。


太空电梯 
 
　　建造太空电梯显然将是人类最大的工程项目，需要数万公里长的缆绳，还需要强大的支撑物来将它的底部固定在地球上。由于必须保证太空电梯本身的刚性，不能让它随着地球的转动被拉得到处乱绕圈子，甚至因为拉扯而损坏，它的重心必须位于地球同步轨道上(距地面35,800公里左右)，以使它与地面上的对应点随时保持相同的角速度，而这个对应点，当然也只能在赤道上，至于经度是否也必须正对，倒不见得，只要太空电梯的设计制造者能够容忍它斜着向高空伸展出去。

　　考虑到重量平衡，太空电梯实际上应该由两部分组成，将包括自重心点起往上、下两方向各自伸展出的数万公里长的索道或者管道，分别被形象地称为“吊天梯”和“甩天梯”。事实上，建造的时候也应该是从中间的太空站开始同时向上下两个方向同时修建。这些天梯可让类似地铁列车的车辆沿着它们行驶。当然，如果是载人的，车体必须气密。此外，因为是垂直行驶，车与轨道间应该还要有某种固定装置。比较简单的一种设想是在管道四周设置类似超导磁悬浮列车的悬浮磁体。至于车上下行进的动力，可以采用类似电梯式的吊挂牵引，但更好的是直接利用约束磁体的磁场变动产生电磁推力。


太空电梯 
 
　　和大多数公共交通一样，太空电梯上的列车也将设置成两向对开，并在适当的高度安装“站台”以方便乘客和货物上下。这些站台实际是固定在太空电梯上的空间站，它们的重量应该从最初设计时就考虑在内，甚至列车的载重和行驶位置也需要精确计算。如果太空电梯失去平衡，巨大的拉扯力是很难靠太空电梯本体的强度抵消的。

　　实际上，即使处于完全平衡状态，按照计算，普通材料也没有一种能满足太空电梯对抗拉强度的需要。根据现在的材料科技水平，只有20世纪90年代发展起来的碳纳米管，可以在强度和重量的比例方面合乎要求，用纳米技术制造的缆绳可以更细，重量更轻，同时强度却更大，更柔韧。更先进的纳米技术甚至可以提供活性材料，让缆绳能自己发现缺陷并自己修复。

　　太空电梯不仅提供宇航方面使用，还可以提供给旅游方面，根据英国人测算，目前用航天飞机送一个旅游者(包括行李)需要花费6万英镑，而用太空电梯只需要150英镑。 

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※ 修改:·wxl 于 Apr  8 13:18:43 修改本文·[FROM: 202.118.232.13]
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