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电梯太空论文范文

“天梯2号”属于标准的第一类太空电梯.从基本构造上来说,太空电梯通常分为三类,第一类是最早提出来的设计方案,也是技术最为成熟的.从本质上来讲,它就是一条约十万公里长的缆绳,其一端固定在地面,另一端贯穿了位于3.5万千米高空的与地球同步的太空站,并且向上一直延伸到离地面十万公里的地方.

第二类太空电梯与其类似,只不过太空站位于整条缆线的末端,同时它也处于比同步轨道更高的轨道,这样才可以维持整个电梯的重心处于同步轨道上.

第三类太空电梯主要用于货运系统,它是一条两端都连接着太空站的缆绳,其中两个太空站位于不同的轨道高度上,并以与地球同样的角速度运动——当然,整体的重心仍然在同步轨道上.而第三类太空电梯虽然其底部并不在地球上,但是可以把货物从近地轨道方便地运输到更高的轨道上,比起直接把货物发射到远地轨道,它是一种极其廉价的货运方式,现在地球大部分快递公司都是通过这类电梯运送寄往月球等地的包裹的.

工作职责：维护太空电梯

相信很多人都有乘坐太空电梯的经验,你们在轿厢中沿着缆绳缓缓上升的时候,可曾想过,这么长的一条缆线,平时又是如何维护的呢?

你们可能听说过,有一类近年来随着太空电梯而产生的新兴职业,即所谓的“太空电梯清洁工”——严格来说,应该叫做维护员,因为大部分缆线上并没有灰尘需要清理.

一部太空电梯所需的维护人员足有一万多人,他们占了整个太空电梯运营公司的大部分人员编制.要知道,地球赤道也不过四万公里,太空电梯的总长是赤道的2.5倍!就按一万人计算,每个人需要负责维护的部分也达到了十公里之长.你们也许觉得,就一根绳子而已,没什么需要维护的吧?这种想法真是大错特错.

地球的大气层厚度约为10 0 0公里,在大气层内部和外部,太空电梯的维护内容有巨大的区别.

从绝对长度上来说,大气层内的电梯长度不过总长度的百分之一,但是所占用的维护人数却高达总人数的十分之一.这是因为大气层与太空电梯的相互作用,给维护带来了巨大的复杂性,一不注意,便会产生许多运营上的潜在风险.

举个例子,比如除冰就是一件非常麻烦的事.高空的水蒸气很容易就会依附于太空电梯的缆线而凝结起来,进而形成微小的冰块,对缆线造成损坏.

早期的太空电梯常采用电热法进行除冰.我们知道,太空电梯的缆线是由多层的碳纳米管制成的,通过调节各层间的转角,我们可以改变其电阻的大小.所以,在其两端加上电压后,它就变成了一根巨大无比的电热棒,而且我们可以通过调节其电阻值来控制它的发热量.

但是这种简单粗暴的方法有极大的弊端,那就是会对缆线本身造成不可逆的损伤.

像碳纳米管这种量子材料,对热涨落都是很敏感的,在加热的情况下,很多碳原子会产生错位、空缺的情况,从而对材料整体的强度和韧性造成影响.所以后来逐渐淘汰了这种方法,而改为用化学吸附法、电磁排斥法等非破坏性的方法进行除水作业.这些工作都是由自动控制系统来完成的,但是需要由维护人员定期进行实地检查,以确认每一段缆线都保持干燥而完好的状态.

除了不能让水分子吸附之外,在云层高度,清洁工还需要经常将靠近电梯的云层进行驱离,一方面是为了除水的需要,更重要的是为了预防闪电的威胁.

根据理论模拟的结果,在太空电梯的近距离发生闪电的概率,大概是每13年一次.看上去概率不大,但你要知道,若真的被闪电击中,其对于太空电梯的损坏几乎是毁灭性的.所以,负责云层高度的清洁工还必需经常进行除云作业.

再举个例子：在大气层中,对太空电梯危害最大的成分便是氧气（一般来说,碳纳米管被氧气分子侵蚀的速度为每个月一微米）,所以,在大气层中的缆线外部,通常都包裹着一层抗氧化层.太空电梯的轿厢依附于缆线上下运行时,轿厢与缆线的摩擦往往会造成抗氧化层的磨损.维护人员需要每周检查一次抗氧化层的磨损情况,并及时进行修补.

既然大气层对缆线有这么多影响,那么在大气层外的缆线就应该容易维护得多了吧?这种说法从某个角度来说是对的,因为大气层外接近真空的环境,使得能够对缆线造成影响的因素大为减少了.但与此同时,很多新的威胁也随之出现,其中最大的威胁就是太空垃圾和小型陨石.

太空电梯在纵向具有很高的强度,但是在横向上却非常脆弱.如果在横向上受到撞击,就很容易出现破损.这一类的风险,在0～200千米的低空下可以忽略,因为在这个高度,所有环绕地球运动的物体都会在1～4天内坠落在地球上,所以不会有长期存在的隐患.

随着高度的增加,太空垃圾的分布密度随之上升,在780千米处达到第一个峰值.第二和第三个峰值高度则位于830千米和1415千米处,它们分别对应于“铱星”和全球星等通讯卫星的高度.我们现在建立的太空垃圾追踪系统,只能够对那些直径超过一米的大块垃圾进行长期追踪,对于那些小于一米的垃圾,则只进行了一些少量的探测和追踪.所以,太空电梯在运营的时候,最大的威胁其实来自于那些直径小于10厘米的小型碎片——它们很难被单独追踪,而且数量庞大.唯一的方法,就是在电梯上分布众多的探测装置和推进装置,就近发现这些小碎片,并及时推动缆绳做出避让的动作.

太空电梯技术分析:美国太空电梯设计大赛

为了减轻缆线的重量,这些分布于缆绳上的探测器和推进装置都非常微小,它们直径约为一厘米,沿着缆线不均匀地分布着,在高风险层大概每十米就有一个.其中的推进剂只能提供1到2次的推进动作所需.所以,维护人员需要经常检查推进系统的记录数据,及时替换掉那些动力耗尽的推进装置,以保证电梯各段时刻都保持良好的机动性.

一年只工作两个月

因为与地面相隔太远,往来一次耗时太久,在电梯上层的清洁工都是一次性值班一个月.他们住在同步轨道上的太空站里,那里常住的维护人员大概有一千余人.每到上班的时候,他们便穿着厚厚的宇航服,乘坐专门的工作舱,向上或者向下到自己的维护区域,进行细致的检查.

尽管宇航服可以抵挡大部分宇宙射线,但是长期在太空环境下工作仍然会对人体造成一定的辐射伤害,另外,低重力对人体的骨质和电解质平衡也具有不可忽视的危害.所以,一个月到期后,这些清洁工会立刻回到地面,接受全面的身体检查.一年里,他们通常只工作两个月,也就是每次工作期结束都有一个五个月的假期——他们把其中一个叫“寒假”,另一个叫“暑假”.

（编辑/夏冬）

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太空电梯技术分析引用文献: