建筑施工升降机司机考试题

太空电梯。阿列克谢·索科洛夫的这幅画是已知最早的太空电梯图像之一。它出现在宇航员阿列克谢·列昂诺夫和安德烈·索科洛夫所著《星辰在等待我们》一书的第25页。“地球是人类的摇篮，但人类不能永远呆在摇篮里。””——康斯坦丁

从巴别塔和雅各的梯子到20世纪的太空竞赛，我们一直在努力达到太空。人类仰望星空，梦想征服宇宙。但是要进入太空是很困难的。

无论我们多么希望能轻松、廉价地飘出太空，在茫茫的黑暗中看到我们小小的蓝色大宝石，现在做到这一点的唯一途径就是成为一名宇航员或亿万富翁。然而，并不是所有人都能有这样的机会。有一个概念可以作为我们探索的起点，并传播到各个星球——太空电梯。

这个想法并不新鲜。第一次提到太空电梯是在1895年，当时一位名叫康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的俄罗斯科学家受到埃菲尔铁塔的启发，建造了一座可以直达太空的塔。他的想法从未成为现实，因为没有任何物质可以承受一座超过35000公里高的塔的重量。和所有的建筑一样，齐奥尔科夫斯基的塔也将承受压力，支撑着它的重量。

建造高楼在历史上一直是困难的。在钢结构取代浆砌块石之前，除非你走金字塔的路，否则建造高楼是很困难的，因为只有很少的内部空间，只能在底部建得更宽。金字塔仍然屹立不倒，因为有一堆坚实的石头，底部比顶部更宽。

这就是抗压强度——一种材料被压缩的程度，就像石头被堆在上面一样。当每一个连续的层都比它上面的那一层宽时，压缩就会分散开来，让你建得更高。从理论上讲，如果你不断地把地基加宽，你能建多高是没有限制的，但显然，由于我们是在一个球形星球上，在这方面有一些限制。这基本上就是我们的山脉如此之高的原因，但即便如此，最高的山峰也只有8848米，远远低于齐奥尔科夫斯基的塔所需要的35000公里。

吉萨大金字塔高145米，是近4000年来最高的人造建筑，直到14世纪才被160米高的林肯大教堂所取代。林肯大教堂只是短暂地占据了这个位置，因为中心塔尖坍塌了，没有重建。建筑施工升降机司机考试题

20世纪和21世纪的摩天大楼使这些“古代巨人”相形见绌。哈利法塔高828米，预计将被吉达的王国塔超越。王国塔原计划高度为1600米。

自20世纪60年代以来，这一想法已经从塔式结构转变为电梯式结构，主要集中在抗拉强度结构上，系统的重量由离心力从上往下支撑，并有一个平衡重量来保持缆绳的运转。

抗拉强度是指材料在断裂前所能承受的拉力。直到最近我们发现了像碳纳米管这样的超强材料，我们才开始关注抗拉强度而不是抗压强度。

太空电梯需要达到36,000公里的高度，如果碳纳米管只能达到6,000公里，那么我们就有麻烦了，因为我们想要把材料送上太空。这可能不是一个大问题有两个原因。首先，可以将系带逐渐变细，使其顶部比底部更宽，从而可以保持更长的长度。

其次，断裂长度是指单根纤维悬挂重力等于其断裂强力时的长度。例如，火星和月球的断裂长度更长，因为那里的重力较低。尽管我们不能忽视地球的引力，但电缆却不是，因为离地面越远，重力就越弱。

5000公里高空的地球引力只有不到地面引力的三分之一，断裂长度是地面断裂长度的三倍。在地球静止轨道上（相对地球速度为0），重力只有地球上的百分之几，断裂长度几乎是地面的50倍。

因此，断裂长度小于对地静止轨道的距离（空间升降机需要到达的距离）这一事实并不重要，因为可以通过赋予其更高的锥度比来解决这一问题，即使其顶端比锥头更宽。底部，断裂距离增加，我们离表面越远。理论上，如果使用足够高的锥度比，则任何物质都可以用于太空电梯。

当最高的建筑还不到一公里，最高的山甚至还不到10公里高的时候，建造数万公里高的建筑是非常可笑的。尽管我们目前缺乏建造一个固定在地球上的太空电梯的材料，但最近的一项研究表明，用我们现有的材料建造一条从月球到地球同步轨道的太空线路在经济上是可行的。

太空电梯是如何工作的？

太空电梯的工作方式不同。它利用地球自转产生的能量。一个好的观想方法是拿着一根绳子，一端绑着一块石头，然后旋转。现在你手上有一只蚂蚁开始沿着绳子爬。当它向石头方向爬时，它开始移动得越来越快。

太空电梯概念的一个很好的类比是绳球游戏，在这个游戏中，一根绳子一端系在一根杆子上，另一端系在一个球上。在这种情况下，绳子是碳纳米管系绳，杆子是我们的星球，球是平衡的重量。球不停地绕着磁极旋转，如此之快，以至于绳子都绷紧了。

这就是太空电梯的总体思路。块绕着我们的星球旋转，使缆绳保持直线，并允许升降机在上面上下移动。

LiftPort是开发太空电梯计划的几家公司之一，该公司提出太空电梯的高度约为10万公里。为什么这么高？

因为，即使地球静止轨道上的物体不会掉下来，它下面的任何一点都会掉下来。把缆绳拉得这么远的原因是提供一个相等的向上的拉力，而过了地球同步距离时，缆绳是向外拉的。这将使缆绳保持紧绷。

另一种不需要系绳跑数千公里来获取平衡力的解决方案是在地球静止轨道上建立一个大型空间站。

由于特殊任务的需要，SpaceX等私营公司和NASA等政府机构向太空运送一公斤物资的成本各不相同。NASA平均每公斤花费23750美元，而SpaceX每公斤的价格约为6078美元，私人太空旅行行业的价格预计还会进一步下降。降低成本是我们建造这个东西的原因。

整个建设过程将是非常昂贵的，但它将是值得的。由于将普通人送上太空的成本约为130万美元，一辆汽车的成本约为4000万美元，国际空间站的成本为数十亿美元，因此太空电梯可以消除人类太空飞行的限制。如果一个便宜的太空电梯造价200亿美元，那么它在发射100万吨(相当于两个国际空间站的重量)之后就能收回成本。

太空电梯，一旦建成，只需要足够的能量就可以上升，快速的侧向运动随着地球的旋转而自由进行。这使得它比目前使用火箭将货物和人员送上太空的方法需要的能量更少。

毫无疑问，建造太空电梯将是人类有史以来建造的最大、最昂贵的建筑。我们需要回答的一个问题是，我们如何为攀登者提供动力。有很多方法可以做到这一点。我们可以使用核反应堆，或者从地面发射超功率激光。

在默认情况下，太空电梯必须在赤道上，很可能是在海上的一个浮动平台上，因为地球静止轨道被限制在赤道周围的一个环上。问题是，大多数拥有强大太空计划的国家都在赤道以北。这是可以固定的，因为只有终端站需要高于赤道(系绳的力的中心)。所以你可以在上海系上一根绳子，在赤道的另一边系上一根绳子来平衡它。最好至少使用三根，而且必须有一个系统，能够调整位置，使每根缆绳保持适当的张力。

系绳会断吗？

当然可以。尽管它将由一种极其坚硬的材料制成，但它不会经受住破坏，就像人类制造的每一样东西都可能是有缺陷和破碎的。

系绳在哪里断裂也很重要。如果它在我们大气层的任何地方，电缆就会像对空间站的威胁一样上升，然后下降，悬挂在大气层上方。我们所要做的就是修复它，或者如果我们利用这个想法让缆绳延伸得比地球同步轨道远得多，我们就可以把它放回地面。大气中的电缆会垂直下落。

有一个问题。随着你离得越来越远，环绕地球的轨道速度也越来越低，但对于系绳来说，越往上走，速度就越快。在地球同步轨道上，缆绳的运动速度与轨道高度相当，而在地球同步轨道上的空间站，其运动速度要快一些。如果缆绳被切断在空间站下方，空间站就会漂移到更高的轨道上，所以空间站上需要有推进器，以便在修复完成之前降落到地球同步轨道上，然后再上升。

从月球发射的太空电梯

1977年，杰罗姆·皮尔森在一次会议上首次公开详细阐述了月球太空电梯的想法，1979年，尤里·阿尔苏塔诺夫在另一篇论文中公布了这一想法。

他们称其为“空间线”概念，它的主要元素是锚定在月球上的电缆，跨度超过320,000公里，到达地球表面上方的某个点-大约43,000公里。它不会被锚定在地球上，因为我们星球与月球的相对运动是不允许的。

这篇论文解释说，最简单的Spaceline应该是一根比铅笔的铅笔芯稍粗一点的电缆，可能重约4万公斤。它可以由凯夫拉尔纤维或其他现有材料制成，而不是难以制造的碳基材料，后者是传统太空电梯的关键。

太空旅行者将会飞到悬着的缆绳的末端，缆绳会被地球的重力拉紧，然后转移到太阳能机器人车上，这些机器人将会爬上缆绳到达月球。航行可能需要数天或数周，而回程则正好相反。

佩诺伊尔和桑福德认为，太空线路可能更经济，特别是从月球上的矿山带回原材料。美国航空航天研究所发表的一篇论文称，如果把月球上的物质运送到月球和地球之间的空间站，一个月球太空电梯系统可以在53次飞行中收回成本。

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在月球上建造太空电梯，将会更容易，因为重力更弱。太空电梯的测试已经开始。2018年9月，日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发射了一个微型太空电梯，以观察它对太空环境的反应。

这颗由静冈县立大学的研究人员设计的太空系留自主机器人卫星名为小型电梯，它由两颗立方体卫星组成，每颗卫星之间都有14米(46英尺)长的系带，可以与地面进行通信。我们的目标是让一个有蓝牙功能的攀登者爬上缆绳，从一个立方体卫星爬到另一个立方体卫星。

这次发射是成功的，但是研究人员与其中一颗立方体卫星交流有困难。

即使面临着人类最大项目的所有挑战，拥有一个可工作的太空电梯的回报将是巨大的。这可能是真正征服星球的第一步。也许我们从来没有建造过太空电梯，但在尝试这么做的过程中，我们会学到很多。