太空电梯的轨道强度如何？

　　1、引言
　　人类永远都不会停止飞天的探索。古时候，有腾云驾雾的神话人物，也有真的坐上了火箭的万户。近代，有发明了飞机的莱特兄弟，人类真正飞上了天。上世纪中叶，苏联航天员加加林第一次进入了太空。本世纪初，美国的亚特兰蒂斯航天飞机完成了谢幕之旅，航天飞机正式退出历史舞台。历史发展至今，借助于火箭，是当前人类飞天的唯一途径。
　　莱特兄弟的飞机
　　但是，火箭的发射流程复杂，非常繁琐。且次抛毕竟是次抛，总感觉有点浪费。于是，大刘在三体里借鉴了太空电梯。它是这么描述的：
　　所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨，与设计中的四条导轨相比，运载能力小许多，但与化学火箭时代已不可同日而语，如果不考虑天梯的建造费用，现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。（《三体II》第216页）。
　　试运行时间大概是本世纪的二三十年底，也就是从现在开始的十多年内。这个所谓的初级轨道，其实用缆索描述更合适。
　　太空电梯2、太空电梯的轨道
　　它肯定是一个柔性的结构，从而可以克服运动的不同步和恶劣天气的影响。由于地球的自转，太空电梯的地面接入端选择赤道更加合适，就像同步卫星一样，保持电梯与地球的同步运动。否则的话，太空段必须持续的有能量输出来维持与地球的同步，这显然是不划算的。大刘设想的天梯三号就位于赤道的海面上，通过海面上的人工浮岛，可以调节太空电梯的位置。
　　太空电梯的轨道
　　另外，大刘为太空电梯的终点站配了一个空间站，作为电梯平衡之用，电梯本身更像是连接两个重物的纽带，承受着拉伸之力。实际上，光一根绳子，是无论如何也甩不出去的，地球转速太慢，24小时才转360，换算下来角速度大概是7。292e5rads。这么慢的角速度，必须得配有重物，依靠重物绕地球旋转产生的离心力，才有可能把这根缆索轨道拉直。3、轨道的强度问题
　　由此可见，大刘对太空电梯的设定，还是非常的科学。唯一的问题就是材料，三体为了逻辑自洽，创造出了别名飞刃的纳米材料，强度高，密度小。但是，目前人类还没有掌握这种新材料的制作技术。我国掌握的高强度材料，并且已经成功应用的，当属冰丝带屋顶用的高钒密闭索，其强度高达1570MPa。高强度钢丝绳，级别更高的还有很多，但是这个高钒密闭索应该是综合性能最佳的。
　　高强度缆索的应用
　　这样一根钢缆，能否用来做太空电梯的轨道呢？答案是否定的，我们可以计算一下。假设这根钢缆长为h，在距离地面的任意高度位置，存在重力和钢缆绕地球旋转产生的离心力。先看重力，随着高度的增加，重力加速度在减小，表达式是这样的。在地面x的位置，取长dx的钢缆作为分析对象，其重力为Sdxg，S为横截面积。整段积分后，整根钢缆的重力表达式就出来了。
　　分析图
　　重力计算
　　显然，对于这根钢缆来说，最外端是最危险的地方。最外端承受着所有的重力拉扯。由此产生的重力应力表达式就得到了。把强度1570MPa代入后，就得到了钢缆的长度，大概是20。6公里。也就是说，这根高钒密闭索做出的太空天梯，空载情况下，最高也就是20。6公里高。否则，就会被自己的重力扯断。再看离心力，同样可以推出钢缆长度大概是4413公里，是20。6的214多倍。由此可见离心力太小了，主要是地球自转太慢了。20。6公里的高度，连平流层都没出去，更别说什么太空电梯了。
　　离心力计算4、什么材料才合适？
　　那么到底多少强度的材料，才能用于做太空电梯呢？根据刚刚的推导，保持材料密度不变。那么最低的160公里轨道，要求材料的强度高达11。93GPa，是高钒密闭索的7。5倍。如果要达到空间站的轨道高度，400公里处，要求材料的强度高达28。77GPa，是高钒密闭索的18。32倍。想要把当前高钒密闭索的强度提升这么多倍，可以说是不可能的。除非真的有飞刃出现。
　　蜘蛛侠的蛛丝
　　实际上，自然界中确实有一种强度超高的材料蛛丝。蛛丝的强度高达17。5GPa，是高钒密闭索的11。15倍，但其密度仅为1340kgm3，约是钢材的16，真的是又轻又结实。如果采用蛛丝做太空电梯的轨道，那么空载情况下，轨道长度可达1685公里，远超空间站的400公里。那么，如果太空电梯设计高度400公里，就有足够的余量来承载其他载荷。可惜的是，人类还做不出来人造蛛丝。另一方面，蛛丝也不耐磨，无法真的用于太空电梯。5、总结
　　所以，在未来可见的范围之内，人类都因缺乏合适的材料而造不出太空电梯。
　　电影流浪地球2