太空电梯应该是不可能成功的

古今霸绝天下 2023-02-08 18:21:04

《流浪地球2》中太空电梯的概念又火了一把,『太空电梯』这种极为高效地进入太空的科技概念,最早由俄国火箭专家齐奥尔科夫斯基提出,后来在日本机甲科幻动漫《高达》中也有引用这个概念装置。

以前看过一些科技节目中,几乎所有的作者和科学家都表示『太空电梯』是非常有可行性的技术方案,其中的各种技术环节都是成熟的,只是太空电梯牵引材料的强度要求非常高目前还做不出来。但即便这种超级材料能够做出来太空电梯就能成功建造出来么?

听说最近日本有计划建造太空电梯,预计在2050年建成,惊讶(⊙o⊙)

实际上在2018年,日本就曾经试图测试过“太空电梯”,

不知道,这些年日本的“太空电梯”技术进展到哪里了。

在考虑太空电梯可行性这个问题时,我们听到的最核心的问题就是『拉升机构的材料强度要非常大但重量要非常轻』这在我们当下的科技水平中能复合的材料只有芳纶纤维是强度质量比最大的,但是要到达太空至少需300公里的长度,这样的长度则目前无论什么材料别说负重拉升,就算保持承受自身重量的拉扯而不断也依然远远做不到,假设即便是材料问题解决了,

我们还思考几个关键问题:

(1).太空电梯需要稳定地能把地面电梯管道或牵拉绳连接到太空,这个太空电梯靠的是压力还是拉力?只能是离心力!即天空电梯想象成由一个绳子连接在地球上高速甩动太空端装置,使得太空端装置因“绳子”连接在地球而不能飞离出去,也不会掉落到地球地面。因为如果是压力,想象一下建筑物越高,其稳定性受破坏的力量就越小,无论从横向力还是纵向力,长径比越大的物体越容易被弯曲,所以我们的摩天大楼必须在越来越高的同时底部也要同比增大,但随着高度的增加底部的压强也会急剧增加,最终别说建筑材料能承受压力,地球地基也承受不了,因此我们不可能建造超过万米的建筑或高塔,只能寄希望于离心力。

我们知道建造太空电梯必须是与地球自转角速度同步的,也就是说与地球自转同步,这样才能正常上下运输;而在旋转角速度一定的情况下旋转半径越大离心力也越大,由此引申出第二个问题,

(2).太空电梯需要多高的轨道才能有足够的离心力?

离心力计算基本公式:F=m*ω^2*R(N)其中:m---质量kg ω---旋转角速度rad/s (弧度/秒) R---质心距离旋转中心的距离m (米)。

1牛顿=1千克*1米/秒(平方),地球上1吨需要约9800牛顿拉力维持悬空。

弧度=角度×(π ÷180 ) 所以地球自转角速度是 (360度/86400秒) * (3.14 ÷ 180) ≈ 0.0000726967弧度/秒 。所以旋转半径R需要: 9800(N) / 1000(kg)*(0.0000726967) 平方 ≈1,854,388,846.4187(m米) 即约1,854,388.85公里!

换另一个离心力公式 F = a*m 其中a为向心力加速度(在地球上就是9.8米/秒的平方),m就是物体的质量,可以计算如果要1吨物体离开地球的加速度 a = 9800(牛)/ 1000(千克) =9.8 等于地球重力加速度,而向心力加速度a = ω^2*R 其中ω为旋转角速度,R为物体质心的半径,所以R = 9.8(米/秒的平方) / (0.0000726967弧度/秒) 的平方≈ 1,854,374,810.778(m米),即约1,854,374.8公里,与前面的计算相差不大。

地球半径是6371公里,我这里暂且取后面的旋转半径值1,854,375公里,去掉地球半径,得出与地球同步角速度的太空电梯装置能够拉动1吨物体实际需要的旋转半径需要离地面 1,848,004公里?

(=°Д°=) 这… 这个距离甚至远远超过了月球到地球的距离!我哪里计算错了么?

空间站正常运行实际距离地面400~500多公里,不过空间站并不是与地球自转同步的而是旋转角速度要快很多,所以我们地面可以观测到空间站过顶时候的画面,如果太空电梯的高度不是在500公里的范围,而是大大超出这个半径范围,那工程量就太大了。

另外,这样通天的太空电梯如果遇到台风等气象自然灾害,那几乎没有悬念将会是巨大的地球级灾难性事故,太可怕了…

所以,按照与地球自转角速度同步的太空电梯感觉不怎么靠谱呀。那如果不是同步,想想也很夸张:脑补一下天上伸下来一根钢索,拉着货物在天空向前飞奔!然而这样也不现实,因为巨大的空气阻力将会把太空电梯给轻松拽向地面!需要知道的是,在太空环境中的物体稍微一点点力,就能对太空漂浮的物体造成不可逆的方向改变,因此如果仅仅靠环绕地球的空间装置来提拉地球上的货物到太空,货物本身的重量+提拉机构的重量+加速度影响,太空电梯的太空部分除非体量庞大到能够环绕地球一圈,否则基本上用一次就得慢慢开始掉下来了,除非为了防止掉下来,必须给太空电梯空间部分安装火箭发动机进行高度保持。

你认为太空电梯有可行性么?我以上的计算分析有哪些不正确的地方么?你认为日本的太空电梯方案将会是什么样的呢?

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10 阅读:3640
评论列表
  • 2023-02-09 17:45

    小编物理不好就别在这丢人了,地球同步轨道3万6千多公里。

    硬糖 回复:
    原来这个高中知识点你是压根儿不会…… 1、万有引力提供向心力:GMm/(R+H)^2=mv^2/(R+H)。 2、地表附近重力近似等于万有引力:GMm/R^2=mg。 3、以上两式可得,H=gR^2/v-R。 4、把地球半径,重力加速度的数据带入可得地球同步轨道距离地面高度,约为36000 km。 m直接都约掉了不影响结果
    天狼星用户xxxxxx 回复: 硬糖
    我看了一下前面的发言,看来我没表述清楚造成了你的误解。同步轨道位置不会变,只跟重力加速度有关。我想说的意思是太空轨道的顶端不会位于同步轨道位置,而是会高于这个位置。
  • 2023-02-09 16:25

    主要是材料问题,八十年代就有和LZ一样论点的科学杂志,按当时的材料限制算出一个光地基就有浙江省那么大的太空电梯

    小洋洋 回复:
    我感觉挺好的啊,那就把浙江变成地基吧,再把上海扩进去
    时光羁绊 回复: 小洋洋
    额,我是指面积,一般认为太空电梯近赤道比较好
  • 熊唉 10
    2023-02-09 18:09

    碳纳米管呗,限制人类的永远是工程技术,理论水平一直是遥遥领先。

    不再乎 回复:
    不行,碳分子键承受不那样的自重,理论极限只是所需数值的零头,现有原子结构的物质都不行
    熊唉 回复:
    很久没有进展是因为实验物理远远跟不上理论发展。
  • 2023-02-09 19:14

    第一:本子那个PPT公司最新进展是数年前把“碳纳米管”送到国际空间站上进行了暴露实验,结果不到两年材料就不行了!第二:你的计算简直丢脸,大神的计算认为即便考虑配重,6万公里足以!

  • 2023-02-09 19:21

    地球是球,但它不是一个球。不要用你新学会的新词去解释远超你理解能力的事物。

  • 2023-02-10 08:25

    你这个计算方法不对,首先轨道高度不用你算,要想产生离心拉力,超过同步轨道即可,也就是36000公里高,其次产生拉力的大小与电梯及其末端的物体质量有关,你这里没有质量数据怎么能算出拉力。想要提高拉力可以在电梯末端增大配重。不过你说的材料确实是个问题。

  • 2023-02-09 22:17

    应该用推进器和智能电脑互相配合保证天梯不倒。

    求道 回复: 这就是一网名
    建太空站也需要火箭长期维持与地面联系,长期看还是太浪费了。
    这就是一网名 回复:
    还不如建多几个空间站实惠,太空电梯要有稳定的大陆板块,稳定的天气环境,以及质量轻且强的建筑材料
  • 2023-02-09 14:12

    正解

  • 2023-02-09 20:52

    太空电梯空间站必须与地面基站同步,空间站能自主修正高度和速度误差,电梯通道用圆管形或六边形减少空气阻力,电梯在通道内运作减少往返大气层摩擦力,电梯通道材料选用高强度韧性好的。

  • 2023-02-09 23:14

    这个电梯首先让潍坊人民用风筝实现吧![呲牙笑]

  • 2023-02-09 23:43

    太空电梯和戴森球都是机械文明思维的产物!

  • 2023-02-09 20:45

    在月球上纤一条绳索垂到地面上空,不做刚性固定。

    落英缤纷 回复:
    你忘了月球是围绕地球做公转的了?[汗]
    血山飞雪 回复: 落英缤纷
    所以才不做刚性固定的嘛!
  • 2023-02-09 23:26

    片中太空电梯不科学的地方是被做死平顶方形的,这种外形在大气层内上下高速运行时空气阻力要么把轿厢撕裂,要么动力强大到足以克服气动缺陷带来的阻力,但这产生了没必要的成本,要是做成卵形的可能更合适。[呲牙笑]

    浔阳舰 回复: Uruz077
    你啊也就是看动画片的智商。
    Uruz077 回复:
    你还知道那是电影啊 那你还哔哔个啥不科学[笑着哭]
  • 2023-02-10 09:07

    算错了。不是这几个公式的数学计算错误,而且物理条件错了。

  • 2023-02-10 08:33

    这个项目,个人觉得都够呛,粗算一下拉索自重应该是超出横截面上分子间力极限的,世上应该是不存在这样的材料的,理论上就不行。

  • 2023-02-10 01:10

    不要去评论什么事肯定不行!火箭上天前科学界不认为有火药或汽油能把火箭推上太空!最后火箭就没靠火药或汽油靠的是化学燃料!

  • 2023-02-10 07:34

    材料学不允许

  • 2023-02-10 00:03

    那是不是只能建在赤道了

  • 2023-02-09 19:27

    作为一个老军迷 20年前的我们看着外国的战机和军舰流口水 那时的我们做梦都不敢想象 可看现在 啥都有了 甚至西方没有的我们也有了 不要质疑我们中华民族的创造力和坚韧不拔意志力

    ┌唯爱 L1丶 回复:
    这倒是真的,20年前看着八爷都犯愁
  • 2023-02-09 21:00

    科技爆炸,是不会出现了…人类已经被锁死在地球了

  • 2023-02-09 15:52

    两千年前也想不到今天的社会是这样的,想的都不敢想该怎么做?

  • 2023-02-10 07:46

    太空电梯实现不了[笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭]能量守衡!你拉一吨上太空得付出能量!这能量来自谁?空间站?那还得用能量维持轨道[笑着哭]扯淡不?老老实实做核聚变发动机,研究反物质去吧[得瑟]

  • 2023-02-09 13:54

    我觉得每一段承拉力是不一样的,最强的一段是太空中平衡点,刚好做为太空基地,两端受力逐步减小直至近地端趋近于0的极小值。那粗细也是根据承拉力设计,如此便可大幅减轻材料量,而减轻的材料又大幅降低了最高承拉段的强度要求,而台风发生的低空层刚好是拉力最轻段,迎风面小

  • 2023-02-10 01:04

    只要造出能抵抗引力的机器,一切东西都可以上天[得瑟]

  • 2023-02-09 23:17

    别说这么绝对,材料学突破还是有可能的。

  • 2023-02-10 07:55

    没啥意思

  • 2023-02-10 23:08

    看过游戏王剧场版光之金字塔么[呲牙笑]

  • 2023-04-08 19:21

    略微超过三万六,产生一点点离心拉力,可以降低材料要求。

古今霸绝天下

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