太空電梯

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空間電梯（Space elevator），又稱軌道電梯，由於頂部直達外太空，所以又名天梯，是一種低成本地將有效載荷從地球或其它星球的表面運輸到空間的解決方案。

## 歷史

空間電梯的概念最初出現在1895年，由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出，其設計是地上一座過百公里高的塔。相當長的一段時間裡，它僅僅只是一種科學幻想，因為找不到一種合適的材料來製造足夠強度的纜繩。但隨著納米技術在20世紀90年代開始取得的突破性進展，建造一部現實的空間電梯開始成為可能，預計其建造成本約100億美元，遠少於國際空間站或太空梭計劃的投資。但把其送上太空組合就異常困難了，結果還是先有能夠在太空製造或至少能裝配組件的太空站。

## 技術

### 種類

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靜止型：以平衡錘的方式，以離心力抵消總體重量，但平衡錘必需放置於同步軌道之上。

落下的力量依重力與高度：$g = -G \cdot M/r^2$

由於地球的自轉向上的離心力隨高度的增加：$a = \omega^2 \cdot r$

因此相反方向兩者的力量總合為：$g = -G \cdot M/r^2 + \omega^2 \cdot r$

其中

g是落下的力量（m s−2）,

a是離心力（m s−2）,

G是引力常數（m3 s−2 kg−1）

M是地球質量（公斤）

r是從該點到地球中心的距離（公尺）

ω是地球的轉動速度（弧度/秒）

導出公式：$r_1 =(G \cdot M/\omega^2)^{1/3}$

因此計算出同步軌道在離地心高度約35,786 km處。

高速移動型：又稱「極音速天鉤」，這是美國航太工程師羅伯特·祖布林於1993年發表的，低設置高度，結構體下端在離地高度約100公里處，持續以10－15馬赫高速飛行以維持高度。相較於靜止型需要先運送一定質量的平衡錘到太空，高速移動型具有更低的建造成本。

### 組件

這個方案旨在建造一部稱作空間電梯的運輸工具。空間電梯由幾個部分組成：

- 平衡錘：平衡錘是一個比較重的物體，放置於同步軌道上方。
- 纜繩：纜繩是一條十分長且結實的繩子，上粗下細，用於連接地面與平衡錘。
- 貨艙：貨艙用於裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和近地端基地之間上下移動。
- 近地端基地：由於受到氣候的影響，不便設置於對流層以下，不然會受到颱風或下雨影響到設備的下墜力量。

### 材料

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對於建造在地球上的空間電梯，平衡錘需要位於距離地面約3.6萬公里上空，使用3.6萬公里長的纜繩與地面連接。

這種纜繩必須十分結實，起初被亞瑟·查理斯·克拉克，於其小說《天堂之泉》中建議由單晶材料建造，但其不宜在地球重力下大量生產，但後來發明的碳納米管也可以勝任。包括平衡錘和纜繩的質心位於地球同步軌道的高度，同時為了保證整個裝置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同時應該儘量選擇商業飛行較少的區域，以避免飛機與纜繩或貨艙相撞，同時纜繩和貨艙還必須能夠抵禦來自風和閃電的襲擊。

對於建造在月球上的空間電梯，要求相比地球要低，因為月球重力較小，且沒有大氣因素影響，自轉速度較慢，且為同步自轉。這種條件下，平衡錘可以建造在月球和地球的引力中點，即月球的拉格朗日點上。

### 類似或配套設計

空間電梯並不是唯一非火箭航太發射方案，其他的方案可以和空間電梯組成一個完整的登天系統。

- 軌道大炮（如質量投射器）
- 登天塔即上文中一個從地球直伸到數十至數百公里高的台，可以在大氣外直接發射太空飛行器。
- 軌道環（宇宙騎士BLADE登場）與太空電梯同級大小，在低軌道上包圍地球圓周上空發射太空飛行器的另類結構。
- 發射環類似軌道環但不需要包圍地球圓周的較小型設計。
- 軌道天鉤即小型化的高速移動型太空電梯。
- 太空纜索

## 出現太空電梯的科幻作品

在故事中出現的固定從地球上太空的建築，不一定都是採用這些方案，僅列出具代表性的設計。

- 首先吸引公眾注意的是亞瑟·查理斯·克拉克的《天堂的噴泉》（1979年）。
- 《銃夢》（1990~1995年）的沙雷姆和耶魯由軌道電梯連接。
- 《異度裝甲/傳說/神劍》系列遊戲（1998年~）多款遊戲出現軌道電梯連接。
- 《三體》系列小說（2006~2010年）中，為人類登上太空的主要途徑。
- 動畫《機動戰士GUNDAM00》（2007~2009年）中，第一條太空電梯於23世紀末被建造，也是與太陽能發電系統共存的設施，設計概念與現實最符合。
- 動畫《GUNDAM G之復國運動》（2014~2015年）中，太空電梯成為主要劇情舞台。
- 電影《無姓之人》（2009年）中，太空電梯為一個過渡性場景。
- 動畫《宇宙騎士》中，太空電梯被叫做拉達姆的外星生物占領，但該電梯是另類構造的軌道環。
- 動畫《超時空世紀》中，被反叛人類的機器人佔領。
- 動畫《魔動王》OVA第二輯中，遙大地乘太空電梯到太空站。
- 《洛克人X8》的Jakob。
- 《魔法禁書目錄劇場版：恩底彌翁的奇蹟》中的恩底彌翁，作為故事主要線索出現。
- 動畫《銀河機攻隊 莊嚴皇子》MJP與GDF的發射太空站玫瑰星即使用太空電梯與地球連結。
- 小說《加速世界》第5冊之中的小型化的太空升降機「赫密斯之索」。
- 漫畫《魔法老師》故事接近收尾時有提到太空電梯的發明，並且在續作悠久持有者也會提到與用到這個設定。（天之御柱）
- 遊戲《空戰奇兵7 未知的天空》中，由歐西亞前總統文森．哈林下令在愛爾吉亞王國領地內的君特灣建造第一座太空電梯，因為此舉止令愛爾吉亞王國感到不滿而派兵佔領軌道電梯，爆發「燈塔戰役」
- 遊戲&動畫星域毀滅者 Z.O.E Dolores（2001年）中，火星叛軍對地球軌道電梯發動攻擊，試圖殲滅一百廿億地球人
- 電影《星際救援》（2019年）
- 電影《流浪地球2》（2023年）中，在2044年遭到數字生命派的攻擊，導致方舟號空間站墜毀，隨後重建。
- 電影《Marvel隊長2》（2023年）中，「聖刃太空站」設有太空電梯，但該電梯使用電波作為吊纜。
- 遊戲《劍星》中，伊芙為了尋找四顆阿爾法核心，搭乘軌道電梯前往位在高軌車站的中央核心。

## 建設計畫

- 2012年2月：日本大林建設公司宣布計畫投入100億美元以建造時速200公里、單程需7天的太空電梯，並期望在2050年落成。

## 外部連結

- Space Elevator Engineering-Development wiki
- Audacious & Outrageous: Space Elevators
- Ing-Math.Net (Germany) – Ing-Math.Net (German Max-Born Space Elevator Team 2006) (German)
- Project of the Scientific Workgroup for Rocketry and Spaceflight(WARR) (German)
- The Economist: Waiting For The Space Elevator (June 8, 2006 – subscription required)
- CBC Radio Quirks and Quarks November 3, 2001 Riding the Space Elevator
- Times of London Online: Going up ... and the next floor is outer space
- The Space Elevator: 'Thought Experiment', or Key to the Universe?. By Sir Arthur C. Clarke. Address to the XXXth International Astronautical Congress, Munich, September 20, 1979.
- The Space Elevator – Physical Principles The math and the numbers for actual materials.
- Space elevator books and links at 21stcentury.space