太空电梯

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空间电梯（Space elevator），又称轨道电梯，由于顶部直达外太空，所以又名天梯，是一种低成本地将有效载荷从地球或其它星球的表面运输到空间的解决方案。

## 历史

空间电梯的概念最初出现在1895年，由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出，其设计是地上一座过百公里高的塔。相当长的一段时间里，它仅仅只是一种科学幻想，因为找不到一种合适的材料来制造足够强度的缆绳。但随着纳米技术在20世纪90年代开始取得的突破性进展，建造一部现实的空间电梯开始成为可能，预计其建造成本约100亿美元，远少于国际空间站或航天飞机计划的投资。但把其送上太空组合就异常困难了，结果还是先有能够在太空制造或至少能装配组件的太空站。

## 技术

### 种类

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静止型：以平衡锤的方式，以离心力抵消总体重量，但平衡锤必需放置于同步轨道之上。

落下的力量依重力与高度：$g = -G \cdot M/r^2$

由于地球的自转向上的离心力随高度的增加：$a = \omega^2 \cdot r$

因此相反方向两者的力量总合为：$g = -G \cdot M/r^2 + \omega^2 \cdot r$

其中

g是落下的力量（m s−2）,

a是离心力（m s−2）,

G是引力常数（m3 s−2 kg−1）

M是地球质量（公斤）

r是从该点到地球中心的距离（米）

ω是地球的转动速度（弧度/秒）

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

因此计算出同步轨道在离地心高度约35,786 km处。

高速移动型：又称“极音速天钩”，这是美国航太工程师罗伯特·祖布林于1993年发表的，低设置高度，结构体下端在离地高度约100公里处，持续以10－15马赫高速飞行以维持高度。相较于静止型需要先运送一定质量的平衡锤到太空，高速移动型具有更低的建造成本。

### 组件

这个方案旨在建造一部称作空间电梯的运输工具。空间电梯由几个部分组成：

- 平衡锤：平衡锤是一个比较重的物体，放置于同步轨道上方。
- 缆绳：缆绳是一条十分长且结实的绳子，上粗下细，用于连接地面与平衡锤。
- 货舱：货舱用于装载货物，它可以顺着缆绳在空间和近地端基地之间上下移动。
- 近地端基地：由于受到气候的影响，不便设置于对流层以下，不然会受到台风或下雨影响到设备的下坠力量。

### 材料

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对于建造在地球上的空间电梯，平衡锤需要位于距离地面约3.6万公里上空，使用3.6万公里长的缆绳与地面连接。

这种缆绳必须十分结实，起初被亚瑟·查理斯·克拉克，于其小说《天堂之泉》中建议由单晶材料建造，但其不宜在地球重力下大量生产，但后来发明的碳纳米管也可以胜任。包括平衡锤和缆绳的质心位于地球同步轨道的高度，同时为了保证整个装置固定，地面基站通常建造在赤道附近，同时应该尽量选择商业飞行较少的区域，以避免飞机与缆绳或货舱相撞，同时缆绳和货舱还必须能够抵御来自风和闪电的袭击。

对于建造在月球上的空间电梯，要求相比地球要低，因为月球重力较小，且没有大气因素影响，自转速度较慢，且为同步自转。这种条件下，平衡锤可以建造在月球和地球的引力中点，即月球的拉格朗日点上。

### 类似或配套设计

空间电梯并不是唯一非火箭航天发射方案，其他的方案可以和空间电梯组成一个完整的登天系统。

- 轨道大炮（如质量投射器）
- 登天塔即上文中一个从地球直伸到数十至数百公里高的台，可以在大气外直接发射航天器。
- 轨道环（宇宙骑士BLADE登场）与太空电梯同级大小，在低轨道上包围地球圆周上空发射航天器的另类结构。
- 发射环类似轨道环但不需要包围地球圆周的较小型设计。
- 轨道天钩即小型化的高速移动型太空电梯。
- 太空缆索

## 出现太空电梯的科幻作品

在故事中出现的固定从地球上太空的建筑，不一定都是采用这些方案，仅列出具代表性的设计。

- 首先吸引公众注意的是亚瑟·查理斯·克拉克的《天堂的喷泉》（1979年）。
- 《铳梦》（1990~1995年）的沙雷姆和耶鲁由轨道电梯连接。
- 《异度装甲/传说/神剑》系列游戏（1998年~）多款游戏出现轨道电梯连接。
- 《三体》系列小说（2006~2010年）中，为人类登上太空的主要途径。
- 动画《机动战士GUNDAM00》（2007~2009年）中，第一条太空电梯于23世纪末被建造，也是与太阳能发电系统共存的设施，设计概念与现实最符合。
- 动画《GUNDAM G之复国运动》（2014~2015年）中，太空电梯成为主要剧情舞台。
- 电影《无姓之人》（2009年）中，太空电梯为一个过渡性场景。
- 动画《宇宙骑士》中，太空电梯被叫做拉达姆的外星生物占领，但该电梯是另类构造的轨道环。
- 动画《超时空世纪》中，被反叛人类的机器人占领。
- 动画《魔动王》OVA第二辑中，遥大地乘太空电梯到太空站。
- 《洛克人X8》的Jakob。
- 《魔法禁书目录剧场版：恩底弥翁的奇迹》中的恩底弥翁，作为故事主要线索出现。
- 动画《银河机攻队 庄严皇子》MJP与GDF的发射太空站玫瑰星即使用太空电梯与地球连结。
- 小说《加速世界》第5册之中的小型化的太空升降机“赫密斯之索”。
- 漫画《魔法老师》故事接近收尾时有提到太空电梯的发明，并且在续作悠久持有者也会提到与用到这个设定。（天之御柱）
- 游戏《空战奇兵7 未知的天空》中，由欧西亚前总统文森．哈林下令在爱尔吉亚王国领地内的君特湾建造第一座太空电梯，因为此举止令爱尔吉亚王国感到不满而派兵占领轨道电梯，爆发“灯塔战役”
- 游戏&动画星域毁灭者 Z.O.E Dolores（2001年）中，火星叛军对地球轨道电梯发动攻击，试图歼灭一百廿亿地球人
- 电影《星际救援》（2019年）
- 电影《流浪地球2》（2023年）中，在2044年遭到数字生命派的攻击，导致方舟号空间站坠毁，随后重建。
- 电影《Marvel队长2》（2023年）中，“圣刃太空站”设有太空电梯，但该电梯使用电波作为吊缆。
- 游戏《剑星》中，伊芙为了寻找四颗阿尔法核心，搭乘轨道电梯前往位在高轨车站的中央核心。

## 建设计划

- 2012年2月：日本大林建设公司宣布计划投入100亿美元以建造时速200公里、单程需7天的太空电梯，并期望在2050年落成。

## 外部链接

- 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