其他爬出重力陷阱的方法

二、其他爬出重力陷阱的方法

有没有更廉价的航天方式呢?比较知名的有:环形隧道方案、高架铁路方案和太空电梯方案:

环形隧道方案是

围绕赤道建一条4万千米长的环形隧道。将隧道里面抽成真空,隧道里有数列火车,以8千米/秒以上的速度行驶。利用火车高速行驶产生的惯性力,使隧道克服地球引力升空。

执行这一方案有3个难题:首先,因为整条隧道是一个封闭的圆环,隧道从地面上升就意味着圆环半径增加,这要求圆环(隧道)总长度随着延伸。4万千米长,既能对抗大气压,又能自由伸长的磁悬浮隧道,很难建造。

其次,隧道升至离地300千米高空后,怎样让里面的高速列车离开隧道,进入太空?如果列车不能离开隧道,下次送人员物资到太空去,又要建设一条这样的隧道。而要让高速列车离开,必须在隧道上另开窗口。这又给隧道的气密性带来了难题。

最后,这个方案要求环形隧道必须是标准的圆形,这要求隧道有很高的强度,不会轻易变形。而且隧道要能升空,必须很轻。为了保证隧道为标准圆形,必须劈开赤道上近6000米的高山,在5000米深的海洋上为隧道建桥墩……

显然这一方案不可行。

高架铁路方案是

飞船在磁悬浮轨道驱动下,不断升高和加速。运动到了磁悬浮轨道末端后,启动小火箭,将飞船推入人造卫星轨道。这一方案实际上是用大炮发射卫星的改良版,把炮管改为高架桥,将火药驱动改为电磁驱动而已。

如果要求乘客承受的加速度不超过5倍重力,脱离磁悬浮轨道时的速度达到8千米/秒。那么该桥的总长度将达到640千米。轨道末端高度至少要达到160千米。否则飞船就会因为速度太快,与空气摩擦发热而烧毁。如果脱离磁悬浮轨道时的速度降低到6千米/秒。磁悬浮轨道可缩短到360千米,轨道高度可降为120千米,但助推火箭的尺寸却要大大增加。总之,这个方案中:建造高架桥成本太高。这种桥建成后影响飞机飞行,很容易损坏。一旦有轻微的地震,高架桥就会垮塌,风险太大。

太空电梯方案

要低成本地摆脱地球引力桎梏,还是太空电梯比较可行。它最早由彼得格勒工程师尤·阿尔楚丹诺夫,1960年7月31日在《共青团真理报》上提出。1978年,阿瑟·克拉克出版了小说《天堂的喷泉》,描述了一个建造太空电梯的故事。使这一设想得到了广泛的传播。

我们知道,卫星离地球越远,绕地球一圈的时间就越长。离地面200千米处的人造卫星,绕地球一圈不到一个半小时,但月球绕地球一圈却要27.3天。在赤道上方,离地面大约36000千米处的卫星绕地球一圈,地球也正好也自转一圈。对地面的人来说,这种卫星好像不动,因此叫地球同步卫星,又叫静止卫星。这种卫星运行的轨道,叫地球同步轨道或静止轨道。

如果从静止卫星垂下一根绳梯,人沿绳梯爬上静止卫星,然后朝外一跳,他不会掉到地面,而是成为一颗新的“地球卫星”。因为他到静止卫星上时,已经获得成为静止卫星所需要的速度。

流行的太空电梯方案就是在卫星上系两根绳子:一根下垂到地面,叫吊天梯;一根向上“甩”得高高的,叫甩天梯。连接吊天梯与甩天梯的卫星,我们称为系留卫星。吊天梯与甩天梯又叫系留绳。

其实,系留卫星也可以不在静止轨道上,这时吊天梯就不能接触地面了。从地面上看,这种太空电梯在空中飞来飞去,我们称之为漂移式太空电梯。

但不管哪种太空电梯,只要爬在甩天梯上朝外一跳,就会飞得比系留卫星更高。如果甩天梯足够高,还可以飞到金星、火星、水星、木星上去。建了太空电梯以后,到太空就跟坐电梯一样,所以人们将这个系统称为太空电梯。而建造太空电梯的最大难题是:当今除了碳纳米管和石墨烯外,其他任何材料做成的长3.6万千米的等截面绳子,都会被自身重量拉断!而当今生产的碳纳米管,只长1米左右,如果把几根纳米管,前后连接为一根:长度是上去了,但强度却降了下来。石墨烯也存在类似问题。