你的问题得到了回答:太空电梯

几十年来，太空电梯一直是科幻小说的主要内容。阿瑟·C·克拉克(Arthur C . Clarke)特别喜欢这个概念，他在不少于五部小说中使用了这个概念;其他杰出人士，如金·斯坦利·罗宾逊、罗伯特·海因莱因和伊恩·M·班克斯也采用了塔顶在地球静止轨道上的想法，通过将有效载荷拉上塔顶而不是使用化学火箭将其送入轨道。这个想法有着悠久的历史，早在1895年，俄罗斯空间科学和航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)就提出了第一个真正的火箭;但近几十年来，它获得了更多的关注，因为人们认为它可能是一种更便宜的进入轨道的方式。实际的考虑，如材料科学和电梯系统的实际力学，被认为是如此繁重，它只能是一个概念。

但加拿大公司Thoth Technologies已经获得了部分太空电梯概念的专利，该概念有一个20公里高的塔，顶部有一条跑道，供太空飞机类型的发射系统使用，将有效载荷送入轨道。我们将读者的问题发给了Thoth，该公司的首席执行官卡罗琳•罗伯茨和该系统的发明者、首席技术官、多伦多约克大学拉松德工程学院教授布兰登•奎因已经给出了答案。

国际太空电梯联盟主席彼得·斯旺(PAS)回答了一些问题，这些问题更关注太空电梯的一般概念，而不是透特概念。斯旺博士是NRO国家侦察研究中心的高级学者，美国空军退役中校，曾任教于代尔夫特大学和史蒂文斯理工学院。

透特的结构是由什么制成的，它是用什么膨胀的，它的纵横比是多少?

TT: ThothX塔是由现成的材料制成的，比如凯夫拉和聚乙烯，用氦气或氢气充气。本专利示例结构描述了50:1的纵横比。

由于进入轨道所需的能量中有90%是动能，太空电梯将消耗大约10%的势能，因此轨道所需的能量减少不到1%。不到1%的能源折扣怎么会带来30%的成本折扣呢?

TT:正如我们在《一种独立的太空电梯结构:太空绳索的一种实际替代方案》中所描述的那样，宇航学报65(3)，365-375,2009年，火箭在上升到20公里的初始阶段消耗了大约39%的燃料。燃料使用的减少带来了到达轨道所需的一级数量的相应好处(在20公里的高度发射只需要一级，而传统发射则需要三级或四级)。百分之一的能量估计声称没有考虑到火箭的分段方面(火箭的分段和燃料非常重)
在发射时，在轨道上很轻)。火箭技术的能源效率极低，只有大约3%的化学能用于将有效载荷提升到轨道上。因此，最初必须增加大量的燃料和硬件，以便有足够的剩余来推进最后的喷射阶段。电动电梯的效率为50%至60%，从而大大节省了燃料，使单级轨道空间飞机能够从塔顶起飞。这些飞机也可以像客机一样完全重复使用，而不是像现在的火箭那样一次性使用。这将获得非常显著的硬件成本优势，从而降低空间访问成本。

能在塔的内部安装一个电磁发射器吗?

TT:磁性发射系统很有希望发射小型紧凑的有效载荷，最好部署在塔顶，在那里卫星可以直接发射到轨道上。

对于一个真正的太空电梯，也就是顶部在轨道上的电梯，建造过程是从地面开始还是从轨道末端开始?

帕斯:有两点需要记住。在10万公里的太空电梯中，只有一个点是在轨道上的，那就是地球同步轨道位置。只有当你从太空电梯中释放出来，你才会“在轨道上”，太空电梯是与地球永久相连的，并与地球一起旋转。当你从东南方向释放出来时，你就进入了某种开普勒运动——在大约24000千米以下，椭圆不会在远端的近地点与地球擦肩而过。在24000公里到地球静止点之间，椭圆在释放点处有远地点，在它下面有近地点。在地球同步轨道上，大约36,000公里的高度，你释放到一个圆形轨道上，保持与地球的关系，就像地球同步轨道卫星一样。在地球同步轨道之外，你进入远地点远高于地球同步轨道的椭圆轨道——在47,000公里的高度释放你进入远地点靠近月球的轨道，57,000公里的释放点使你能够超越地球的引力到达火星。在太空电梯的尽头(大约10万公里)，一个释放将使你到达外行星，然后在行星的帮助下超越太阳系。所有这些运动都是由于运动和释放位置的高度所提供的动能和势能。开始你的旅程不需要化学反应。 Rockets are then needed to adapt your orbit, provide trajectory changes or land on large bodies. Second, The current concept for construction of a 100,000 km space elevator is the following:

第一步:将缆绳提升到近地轨道，再提升到地球静止轨道(用老式的方法，火箭)。

第二步:降低从地球静止轨道到地球表面的启动绳。最初的绳索足够坚固，足以支撑自己和小型攀登者。

第三步:使用小型攀登者建立绳索。
这些小型攀登者将带着额外的绳索离开地球表面，这些绳索将与启动系绳结合在一起，这样系绳的能力就会增强。

TT: ThothX塔是从头开始建造的。Thoth还在申请建筑技术的专利，包括挤压方法。我们认为日本人正在计划一种太空缆绳，它使用地球静止轨道之外的平衡器来支撑缆绳的质量。这可能需要在太空中建造(自上而下)。这种设计的主要挑战是材料的强度(碳纳米管不够强)和雷击可能切断系绳。如果要实现系绳，那么将其安装在20公里的气动塔的顶部将是有利的，以避免低层大气的环境。

利用缓慢移动大重量而不是快速移动小重量的驳船原理，用气球将有效载荷提升到平台上有什么优势吗?

TT:我们认为气球的效用有限，因为它们的升力有限。发明者有将重型气球发射到平流层的经验，然而，有效载荷被限制在几吨。使用抽真空井和气体压力来提高有效载荷也可以达到类似的效果。
再生电梯设计也极有可能用于利用下降过程中释放的势能。

在设计阶段将采取哪些措施来防止屈曲，以及将采取哪些系统来确保结构建成后的完整性?

TT:先前的研究已经解决了结构起皱(屈曲的开始)的问题(参见“充气圆柱形悬臂梁的实验研究”)。
杨青，王志强，张志强，等。固体力学与工程学报(2)，35 - 44,2008。核心不是由单个直径的气体细胞组成的结构，而是由许多细胞排列在一个环面。因此，可以在不损害完整性的情况下修复渗漏的细胞。研究论文提出了气动结构的实验推导准则，以避免起皱的开始，我们已经在我们的设计中采用。控制系统是在一个多冗余的计算机系统中实现的，就像装备在现代喷气式飞机上的多冗余计算机系统一样，其中至少有三个系统被用于热冗余
确保连续作业。利用外部传感器数据，如风速和建筑姿态，控制系统将命令来自执行器的控制响应，这些执行器将调整结构的姿态，以便在专利中描述的谐波控制策略中对抗外力。

在气压作用下作用在这样一个结构上的力的大小是多少，作用的高度是多少?地球自转会产生什么力吗?

TT:该结构的设计可以承受风速为156英里/小时的5级飓风，并且具有显著的安全系数，因此雷暴的绝对和湍流力量在这个设计范围内。该结构的压力将超过大气压力的100倍，因此压力变化的影响有限。设计利用巨大的结构质量，通过控制结构的重心来抵消外部压力。有一些力导致地球自转，但我们估计这些力与其他强迫因素相比是相当小的。还有热应力效应需要抵消。

国际空间站必须定期调整其位置以避免太空碎片。在什么高度这将成为太空电梯的问题?如何设计它来处理这个问题?

帕斯:对于全空间电梯来说，答案是双重的。对于那些不被追踪的小东西，接受撞击并为它设计缆绳，修理攀爬器每年上下一次。对于200至2000公里高度的太空电梯区域，缆绳的设计将适应这种威胁。缆绳可能有1米宽，编织的目的是为了分散张力，并适应任何绳索的穿透。此外，缆绳将是弯曲的，所以没有一个小碎片可以切断缆绳。对于可追踪的碎片，绳子会被移动。这需要出色的空间碎片跟踪(预计到2030年左右)和移动缆绳的能力(有很多方法可以做到这一点:卷进，卷出，移动缆绳爬升者更快/更慢，实际上在GEO节点或Apex锚上使用推进器，或者实际上移动海洋节点)。每一段系绳的知识都可以通过实时测量进行模拟和更新，以确保知识可用于预测规避。对空间电梯威胁的计算——撞击和威胁密度——载于报告:空间电梯生存能力，2011年空间碎片减缓，www.lulu.com。空间碎片和空间升降机的底线是，这是一个可以通过设计和程序成功管理的操作问题。

TT:对于一个20公里高的塔来说，空间碎片不是什么大问题，因为大多数陨石在到达20公里之前就燃烧了。像国际空间站一样，ThothX塔可以调整自己的位置。我们专利的主要新颖之处在于我们所描述的谐波控制策略，该策略可以连续监测和纠正结构姿态以控制它。重心被主动引导到基地上方，以消除飓风等外部力量。我们还预计，与任何实际建设一样，结构维护和维修是必要的。