人類為什么要探索太空,[英]克里斯·英庇,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

原創 qiangshuai521  2019-12-04 17:02  閱讀 26 views 次
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太空探索的新機遇
一種觀點認為,我們應該將太空當作一片荒野來使用,這樣,我們就能將有關環境保護和保全的價值觀應用于太空探索。太空企業家和風險投資家認為,若將太空變成國家公園式的保護區,那么在到達太空之前,他們的太空探索之夢就已破碎。除非將商業擴展到太空中,否則這些法律問題就只能停留在假設層面,無法得到解決。

建立太空天梯

地球軌道是進一步開展太空探索的極佳站點。人們可能并不喜歡國際空間站,但建造它是經過仔細考慮的。零重力有利于生產和組裝諸如火箭、棲息所等大型硬件設備。對任何飛行器來說,從地面到近地軌道這將近400千米的高度,消耗了大部分能量。相比之下,從地球軌道飛往月球表面所需的能量只多出75%。而一直飛到火星表面所消耗的能量,也只是這個能量的兩倍,但距離至少是地月距離的140倍。

埃隆·馬斯克和其他太空企業家正在對火箭方程進行微調和優化。如果這個方程已經過時了呢?

太空電梯有可能解決這個問題。火箭既復雜又危險,效率還不高。無論使用的是固體燃料還是液態燃料,火箭發射過程都是一個幾乎無法控制的爆炸過程。一個焊接點、一個閥門或一個開關出現故障,都會帶來災難。在俄羅斯的主要發射場,他們甚至不進行發射倒計時。他們站在他們認為安全的地方,然后等待結果。火箭技術以重新組合原子和分子中的電子為基礎,火箭燃料屬于化學能源,其效率只比古老的內燃發動機高3倍,比壁爐中的煤燃燒高5倍。若想將物體送入地球軌道,至少要花費1 000萬美元。引力微微一笑,無聲地嘲笑著我們費盡心思地將物體送入太空。

解決這個問題的一個絕妙方法,是從地球表面向太空伸出一條長達10萬千米的輕質高強的纜繩,并將其與放置在太空中的一個平衡物相連接。屆時,太陽能電梯就能將人和貨物迅速送入太空,成本遠遠低于現代火箭。

第一個現代太空電梯的概念,出自極富創造力的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。他從當時剛建成的埃菲爾鐵塔得到啟發,假想了一個高達35 790千米的結構,這個高度與地球同步軌道的高度相當。地球同步軌道的軌道周期與地球自轉周期相同,因此從地面上看,物體在天空中的位置是固定不變的。從如此高的塔頂釋放一個物體,瞧,它就在軌道上。但這個結構產生的極端壓縮是任何材料都無法承受的,因此,齊奧爾科夫斯基的想法漸漸就被人遺忘了。1959年,另一位蘇聯科學家尤里·阿特蘇塔諾夫(Yuri Artsutanov),提出了一個更加可行的想法。他建議從地球同步衛星上放下一根纜繩,同時向遠離地球的方向伸出一個平衡物,以保持受力平衡,這樣纜繩就可以懸停在地球表面的同一位置。太空電梯應保持拉緊狀態,不能收縮或彎曲(如圖8-1)。

圖8-1 太空電梯的構想

注:太空電梯的纜繩一端固定在地球赤道上,另一端延伸到太空中。開口端的平衡物能確保系統質心的高度高于地球同步軌道。離心力使得纜繩保持緊繃狀態。

這就是物理學。太空電梯的纜繩隨地球轉動,因此,任何附著其上的物體都會感受到一個向上的離心力,剛好與地球引力的方向相反。想象一下,如果一根細繩圍繞著你的頭部旋轉,細繩另一端綁著的物體就會受到一個向外的力。這個物體就是平衡物,它能使細繩保持在伸直和拉緊的狀態。纜繩上的物體所在的位置越高,其受到的地球引力就越小,向上的離心力就越大,所以凈引力就越小。在地球同步軌道這個高度,向上的離心力與向下的引力達到完美的平衡,因此,其上的物體處于完美的受力平衡狀態。

20世紀60年代和70年代,太空電梯,或者說纜繩的構想經過了多次革新。1979年,因科幻作家阿瑟·克拉克(Arthur Clarke)的小說《天堂的噴泉》(The Fountains of Paradise),太空電梯引起了公眾的興趣。1克拉克意識到,纜繩應該呈錐形,且與地球同步軌道在同一高度的部分最粗,而兩端應該稍細,這是為了使纜繩在給定橫截面上承受的總重量相等。之所以要保持總重量相等,是因為在拉緊的狀態下,纜繩上的任何一點都必須能支撐自身的重量。纜繩上所受張力最大的位置,和地球同步軌道在同一高度。克拉克還意識到,隨著纜繩下段的建造,平衡物將往上延伸到144 000千米的高度,幾乎接近地月距離的一半。然而,研究這一問題的工程師們發現,已知的材料都無法勝任這一重任。

一種材料能否用于建造太空電梯,主要取決于它的抗拉強度和密度。衡量其品質的一個更有用的指標,是它在自身重量下斷裂前所能達到的最大長度。我們先來看看自然有機材料。杰克的豆莖(13)是無法承受這種程度的壓縮的,它只能向上延伸幾千米。繩子中含有的天然纖維擁有良好的抗拉強度,其斷裂長度為5千米~7千米。橋梁中使用的鋼索,其斷裂長度為25千米~30千米。在橋梁建造和其他土木工程項目中,這些數據是眾所周知的。蜘蛛絲雖然是由蛋白質組成的,但它的抗拉強度和鋼相當,而密度只是鋼的1/6,所以其斷裂長度為100千米——令人驚嘆,但還不足以達到近地軌道。至于凱夫拉爾(Kevlar)和柴隆(Zylon)這類合成纖維,能將我們帶到300千米或400千米的高度,這個高度足以到達國際空間站,但仍無法將平衡物送入更高的高空。看來,電梯操作員的夢想無法通過傳統材料來實現。2

20世紀90年代,納米技術出現并迅速發展起來。納米技術的原理是在原子或分子層面操控物質,由此涌現了一些新技術和一系列令人眼花繚亂的潛在新應用。最令人興奮的是一些由純碳組成的材料。其中,富勒烯是呈球型、管狀或其他形狀的碳分子。富勒烯這個名稱,是為了向建筑師、設計師巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)致敬,因為第一類被創造出來的新分子,是由60個碳原子組成的微小球狀籠子,與富勒設計的網格球頂很相似。在分離出巴基球(Buckball)后不久,科學家就掌握了制造碳納米管的方法。將碳原子連接在一起,卷成直徑只有百萬分之一米的圓柱體,這個圓柱體就是碳納米管。碳納米管很穩定,而且具有良好的導熱性和導電性。

但讓太空工程師們感到興奮的,卻是碳納米管的力學性質。碳納米管雖然很細小,其強度卻是鈦合金的50倍,理論極限值比這還要高5倍。碳是元素周期表中第6輕的元素,幾乎沒有自重。由于質量輕,所以碳的強度和穩定性都是獨一無二的。目前碳納米管的長度雖然有限,但如果我們能將這項技術放大10億倍,或許我們就能把碳納米管編織成一條能到達太空的碳纜繩。3

現在,我們還沒有發展到這一步。有一次,演講結束后,有人問克拉克,太空電梯何時能成為現實,他回答道:“在人們停止嘲笑之后,也許只需大約50年。”

對于碳納米管的強度是否真正足夠,材料科學家們持有不同的看法,而且將它們編織成緞帶或繩索的技術從未實現過。如果六角形的化學鍵緊張過度,這種結構就會急劇斷裂,就像穿著女人的長筒襪奔跑一樣。如此長的結構,很容易受到不穩定性、顫抖運動和共振的影響。此外,升降機或電梯轎廂也會遇到問題,比如纜繩受到科里奧利力(或稱科里奧利效應)產生的晃動。我們對科里奧利力應該很熟悉,因為它是造成天氣系統在赤道南北沿著相反的方向旋轉的原因。如果你從赤道往北或者往南飛行,即使飛機的速度沒有改變,腳下的大地仍會以較慢的速度移動。從地球表面看,這會導致明顯的偏移。對太空電梯纜繩上的升降機來說,它在纜繩每個連續部分上的運動會越來越慢,這會造成纜繩的偏移或纜繩會受到一個側向拉力。當升降機下降時,科里奧利力帶來的作用是相反的。實際上,科里奧利力限制了纜繩上升時所能達到的速度極限。

最后,太空電梯還面臨著來自小行星的威脅,在潛在軌道上圍繞地球轉動的6 000噸太空垃圾也會帶來危險,而且太空電梯太過龐大,極易成為恐怖襲擊的目標。一部太空電梯的效率太低,所以至少需要兩部,一部用于上升,一部用于下降。為了避免可惡的振蕩,太空電梯的速度必須保持在160千米/小時左右,這就使得全程需要花費好幾個星期。

對太空電梯持樂觀態度的人并未因此感到灰心喪氣。科學家最近發現了一種叫作碳炔的物質,它是碳的同素異形體,強度超過了目前作為碳納米管基礎的石墨烯。4也許,太空電梯的纜繩可以通過“摻雜”碳來降低斷裂的風險。2013年,國際宇航科學院(International Academy of Astronautics)發布了一份厚達350頁的報告,報告內容為目前為止對太空電梯進行的最詳細的設計研究。5最適合用來制作太空電梯纜繩的材料仍然是個未知數,但這份報告設計了一種到2035年能攜帶多個20噸有效載荷的太空電梯。太空電梯具有重大的戰略意義,因此就其達成國際共識就顯得至關重要,只有這樣才能保護它免遭恐怖襲擊。

相較于國際空間站的成本來說,100億~500億美元的成本是非常低的——對于一個將發射成本降低到100美元/千克的工具而言,其發射成本只有地面上的火箭的1/20。與其帶來的新經濟活動相比,太空電梯的成本顯得微不足道。

太空熱潮

太空旅行史上充滿了無法兌現的承諾。對于那些擁有雄厚財力和鋼鐵般意志的人來說,太空從來都不只是一個純粹的利基市場。這種觀點的依據是什么呢?精明的經濟學家已經研究過這個問題,并且有數據支持他們的結論。

商業太空業務無處不在,早已成為日常生活中的尋常之物。每當你通過手機導航去一個陌生的地方,或者利用屋外的衛星接收天線觀看電影時,你都在使用商業太空技術。這一切都始于一顆沙灘球大小、重量與一個普通青少年相當的衛星。1962年,由美國電話電報公司(AT&T)、貝爾實驗室(Bell Labs)、英國郵政總局(British Post Office)和法國電信公司(French Telecom Company)出資,美國國家航空航天局發射了通信衛星(Telstar),目的是橫跨大西洋轉播電視信號、電話信號和傳真圖像。全球電信通信產業由此誕生。

若要舉例說明你口袋里的太空產業,全球定位系統就是一個極好的例子。無論天氣情況如何,無論身處何地,我們都能依靠手機來確定時間和位置。若想實現這一功能,就要求在視線方向上,至少有4顆全球定位系統中的衛星能暢通無阻地發射和接收信號。全球定位系統是美國國防部在20世紀60年代研制的,最初由24顆衛星組成。美國軍方拒絕將這個系統用于民用,因為擔心它會被走私者、恐怖分子或美國的敵對勢力利用。但在1996年,美國總統克林頓將當時的系統升級到了31顆衛星,并承諾向全世界免費提供全球定位系統技術。2011年的一項研究顯示,在美國,全球定位系統技術支撐著300萬個工作崗位,每年能帶來1 000億美元的經濟效益。6

衛星發射已經成為一項巨大的產業。2010年,美國聯邦航空管理局發布了一份關于商業太空運輸對經濟的影響的報告,報告顯示,在21世紀的第一個10年里,商業太空產業的產值就從640億美元增長到1 900億美元,提供的就業崗位從50萬個增長到100萬個。(旅游業的規模要大3倍,商業航空事業的規模要大6倍。)現在,衛星發射是一項國際活動,在已發射的商業衛星中,只有不到一半是美國制造的(如圖8-2)。7

圖8-2 商業太空收入的構成

注:商業太空收入主要來自衛星發射。2001—2012年,全球衛星發射的收入增長了近兩倍。相比較而言,太空旅游業仍然是“微不足道”的,但如果安全、可重復使用的運載火箭能研發成功,情況就會發生改變。

太空旅游在經濟上的可行性很難判斷——它的優勢并不突出,它的長期遠景和最終規模也不明朗。為了前往國際空間站,少數富有的人已經支付了2 000萬美元。太空夢想家們相信,隨著價格的下降,需求將會增加,但也存在不確定因素。例如,沉溺于玩樂的人,其風險承受能力不高,這可能會導致可怕的后果。關于這方面的市場調查,到目前為止做得最好的是富創公司(Futron Corporation)。富創公司只是一家航天咨詢公司,并沒有太空旅游業務。他們假設,20年后,軌道旅游的價格從2 000萬美元降至500萬美元,屆時,軌道旅游的總收入將達到3億美元;亞軌道旅游的價格從10萬美元降低到5萬美元,那時其年收入也會達到10億美元。8

在工業化國家開展的公眾調查得到的結果也是一致的:太空的誘惑超越了國界。如果一次短暫的近地軌道旅游只需花費1萬美元,那么大約有100萬人會參加,這會帶來100億美元的年收入。有趣的是,這與美國電影的年度票房收入是相同的。這個收入雖然還不錯,但與2013年人們花在普通旅游上的1.4萬億美元相比,仍是微不足道的(如圖8-3)。

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