天梯：太空运输的新捷径 （2009/06/05）

近年来，科学家提出的有关天梯的设想，以其诱人的前景和较现实的可行性，吸引了整个航天界。因为，天梯一旦建成，它就像高速公路一样可以24小时运转，将航天器和旅游者带到太空去。由于天梯的运输费用将比火箭小两个量级，从而，人类将进入真正的“太空时代”。 　　从幻想到现实 　　这种大胆的设想首先是俄罗斯著名的航天科学家齐奥尔科夫斯基在1895年提出来的，他被巴黎的艾菲尔铁塔所激动，提出建造一个塔通向太空。他设想在一个纺锤形的缆绳的终端放置一个太空城堡，这个城堡在地球静止轨道上围绕地球旋转。 　　1978年，著名太空科幻小说作家阿瑟·克拉克写出了科幻小说《天堂之泉》。他设想在地球赤道上空的一颗地球静止轨道卫星上向下伸展出一个梯子，由于地球静止轨道卫星在天空中相对地面没有移动，所以人类可以乘坐电梯到达近地宇宙空间去观光旅游。当时有人问克拉克需要多少时间才能实现天梯的梦想，他说：“在大家停止嘲笑后的50年。” 　　25年后，嘲笑克拉克的人已经不多了。美国国家宇航局几年前就已将克拉克的天梯构想纳入“先进概念研究项目”中，并已经投入几百万美元对其进行研究。 1999年，美国宇航局马歇尔中心的先进计划办公室发表了《天梯：一种新世纪地球－空间的先进基础设施》，标志天梯将从幻想走向现实。 　　2004年6月30日，“第三届国际天梯会议”在美国首都华盛顿召开。参加会议的专家来自各个领域，从材料科学、桥梁建造、航天技术到法律、商业和财经方面的专家应有尽有。在大会上，专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。当前在天梯研究方面最著名的西弗吉尼州费尔蒙特科学研究所的布拉德·爱德华兹博士在论文中写道：“天梯可以使人类历史实现跳跃性的发展。” 爱德华兹认为自己构想中的初版天梯可能在15年内就可以问世，比布什规划的2020年重返月球的时间表提前一年。他估计成本大约为70亿～100亿美元，相比人类其他太空壮举的费用，这个数字并不太大。 　　爱德华兹的登天梯 　　从理论上讲，天梯并不神奇。在地球赤道的太平洋洋面上建造一个平台，用飞船放下一条长达10万千米的缆绳，并把它锚定在平台上。随着地球一起旋转，由于旋转所产生的离心力刚好抵消了地球的吸引力，于是，天梯就从地球到太空竖直起来了，这就像你在头顶上甩动一根一头拴着小球的绳子一样。然后，用一个由激光提供能量的爬升器在缆绳上上下移动，就可运送飞船、建筑材料甚至乘客。 　　爱德华兹博士在过去数年里一直都在潜心研究 “天梯计划”。他介绍说，第一步，把一个携带天梯半成品的飞船发射到地球静止轨道的卫星上，使其和地球同步飞行；第二步，把这个半成品的天梯从飞船上放下来，落到位于赤道海面的一个平台上，这个平台类似一般的海上发射卫星的平台；第三步，把半成品的天梯锚定在平台上；第四步，用一个由激光束提供能量的爬升器在这个天梯的半成品上上下移动，并把更多碳纳米合成纤维缆绳拧在天梯半成品上，进一步完成天梯。整个制造过程大约要用两年半的时间。另外，根据专家设想，天梯也可由电磁能驱动。电磁能驱动技术目前已在日本和欧洲的高速列车上得到应用。建成后这个爬升器就可以沿着天梯把物资和成吨重的卫星甚至人，缓缓运送到离地面约36000千米的地球静止轨道上，时间大约需要7天半左右，回来也大约需要这么长的时间。 　　俄罗斯的空投天梯 　　天梯不仅设想奇特，而且市场前景广阔。所以，对天梯产生兴趣的不只美国的科学家，美国在航天领域的老对手俄罗斯和欧盟，同样希望率先研制出经济实用的天梯，占领航天领域的这一新的桥头堡。欧洲空间局已经委托俄罗斯萨马拉航天大学，建造一种可以把物品从国际空间站送回地球的空投天梯。 　　俄罗斯萨马拉城科学家的论证工作，现在已经进入收尾阶段，并引起了政治人物和政府官员的浓厚兴趣。这种天梯的主要原理其实并不复杂：天梯实际上是一种长30千米的绳索，由质轻但承重性能很好的聚合材料制造而成，每条绳索自身质量只有6千克。使用时，绳索一端捆着货物舱从空间站向地球投放。当货物舱抵达地球稠密大气层时，绳索受大气剧烈摩擦而燃烧并与货物舱分离，然后货物舱借助自身携带的降落伞的帮助，在地球表面实现软着陆。 　　俄罗斯科研人员的天梯概念与美国科研人员的天梯概念根本思路是一样的，所不同的是，俄罗斯的天梯首先考虑的是如何从空间站上往地球运送物资，而美国科研人员提出的天梯的重点是从地面向太空运送物资。俄罗斯萨马拉城的科学家计划在2004年10月完成初步研制工作，第一次试验安排在今年年底，将利用俄光子卫星对这种天梯进行试验。专家认为，如果能够利用这种天梯，则可以经常性地从国际空间站向地球空投一些有效货物，这不但节省了时间，而且也节省费用。在美国航天飞机恢复飞行前，目前国际空间站上的部分实验数据和设备等只能依靠俄联盟号载人飞船带回地面，而每次货物返回都要间隔半年时间。 　　资金不足是瓶颈 　　对爱德华兹来说，建造天梯最大的技术挑战，就是找到制造缆绳的材料。它必须异常坚硬又要异常轻巧，还要能抵抗任何腐蚀。为了这个曾被称为“无法得到”的材料，科学家们足足等待了几十年。 1991年，日本科学家发明了碳纳米管，这种材料比钢轻6倍，而韧度要比钢高出几百倍。但这种材料的生产成本太高。美国休斯敦赖斯大学的史密斯和他的同事们正在研究一种专利——碳纳米钢索材料，据说，他们可以将碳纳米钢索的生产成本降到每克1美元以下。 　　海面平台的位置选择也非常关键，要尽可能避开飞机航班和轮船航线，也不能位于飓风骇浪经常发生的地方，因此必须精心选择。当然，天梯要抵御的灾难也不少，闪电和风云雨雪的冲击，穿越电离层的考验，小行星、彗星、流星的奔袭，原子氧和高层大气中的硫酸对缆绳的侵蚀。最大的威胁当然是来自卫星以及太空垃圾对天梯的撞击。 　　建造天梯，技术上的困难固然很多，但最大的瓶颈是资金不足，筹集不到足够的资金，天梯就可能永远停留在科研人员的大脑里。在各界人士的帮助下，2002年，爱德华兹博士在西雅图开办了高梯系统公司，主动挑起了制造天梯的重担。公司将投入约1300万美元进行相关问题的研究，研究重点是石墨纳米管对太空环境的适应性，尤其是对太空垃圾的承受力。但这些投入离研制天梯所需资金相差甚远。好在有越来越多公司及私人投资者对该项目发生了兴趣，有的已慷慨解囊，高梯系统公司已筹集到了几千万美元的资金。让爱德华兹信心倍增的是，美国宇航局已拨款50万美元，国会赞助250万美元对高梯系统公司的行为进行了道义上的支持。 　　目前航天飞机运送每千克物品需要2万美元的成本，而天梯一旦建成，可将运送每千克物品的成本降到10美元。可以相信，由于天梯的出现，天地往返运输费用将会大大降低，太空探索也变得简单很多，从而，能够把人类对太空的探索，跨越式地向前推进。