太空(宇宙)電梯(2020.04.08)

最近呢橱乱,深深的喜歡上了一個女生俱病,代號丸子,她喜歡看YouTube的"老高與小茱"搂漠。出于愛屋及烏迂卢,我這個從高中就斷了物理化學(xué)知識的科學(xué)盲終于下了狠心,每一個video都要仔細研究桐汤。

背景

太空電梯(space elevator)而克,是由蘇聯(lián)火箭??科學(xué)家Tsiolkovski, Konstantin Eduardovich(康斯坦丁·愛德華多維奇·齊奧爾科夫斯基1856.09.17~1935.09.19)于20世紀70年代提出怔毛。太空電梯主要由空間站及連接空間站和地球表面的線纜员萍,如下圖所示:

相關(guān)公式

萬有引力公式:F=\frac{G·m_1·m_2}{r^2}
向心力公式:F=m·\frac{v^2}{r}
人造衛(wèi)星:
\frac{GMm}{r^2}=m\frac{v^2}{r}=m\omega^2r=m\frac{4\pi^2}{T^2}r=m\omega v

技術(shù)要點

1. 地球表面的基站必須在赤道上空

太空電梯搭配的空間站可以理解為地球同步衛(wèi)星,地球同步衛(wèi)星需要軌道周期和地球的自轉(zhuǎn)周期相同即一個恒星日(約23h56m4s)拣度,距離地面約35,786 km碎绎。

這時候就有女讀者要問了:盛哥盛哥螃壤,為啥一定要在赤道上空呢?同步衛(wèi)星既要繞地球自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,同時又要以地心為圓心做圓周運動筋帖,不然離心力和地球引力的方向不是正好相反的奸晴。其次呢,赤道是地球上重力加速度最小的地方日麸,節(jié)約能源寄啼。

這時候女讀者又要問了:盛哥盛哥,為什么地球同步衛(wèi)星距離地球的高度固定呢代箭?通過下面的公式計算出來的??
\begin{cases} \omega_{地球}=\omega_{衛(wèi)星}=\frac{2\pi}{24·3600} \\ \frac{GMm}{(R+h)^2}=m\omega^2(R+h) \end{cases}

2. 太空垃圾

地球大氣層外存在著星體碎片墩划,然而更多我們要考慮的是衛(wèi)星、廢舊衛(wèi)星產(chǎn)生的太空垃圾梢卸,雖然大部分落到大氣層燃燒殆盡走诞,但還是存在著很多運行在軌道上(值得注意的是,我國制造了近40%的太空垃圾)蛤高。太空垃圾的運行速度極快蚣旱,根據(jù)動能公式F=\frac{1}{2}mv^2再輕的東西只要速度夠快產(chǎn)生的沖擊力也是非常可觀的戴陡。

3. 電梯上升產(chǎn)生的剪切力

正常衛(wèi)星???發(fā)射后的上升路線是曲線的塞绿,因為可以利用地球自轉(zhuǎn)速度,從而實現(xiàn)節(jié)省能量少帶推進劑的目的恤批。如果非要垂直上升异吻,必須要一直達到地球第二速度,需要大量燃料喜庞。跟我的好朋友色黃(物理學(xué)博士)聊了會诀浪,覺得在垂直的索道上升電梯也會產(chǎn)生巨大的剪切力,這咋克服延都。

4. 軌道/繩索

繩索需要巨大的長度雷猪、極高的強度、耐腐蝕晰房、抗剪切求摇、抗疲勞性能,目前最最合適的是碳納米管殊者,然鵝目前能造出的長度還超不過1米与境。

5. 推進/拉取所需的能源

推進到太空,不還得用火箭??...

從太空拉上去猖吴,這得攢多少太陽能啊....

不過色黃給我介紹摔刁,他師兄目前在研究空間太陽能電站,即在太空中將太陽能轉(zhuǎn)化為電能海蔽,電能轉(zhuǎn)化為微波傳輸回坐落于赤道的的基站簸搞,轉(zhuǎn)回電能扁位,哈哈哈,個人感覺也沒特別大實用價值趁俊,但是國內(nèi)外對這塊投資還蠻大域仇。

所以吧,感覺完全不可能~

Reference

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