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登天有道

2006-11-27 10:55 作者:吴戈 2006年第42期
这些人依据的是牛顿力学。一个物体达到一定速度,就既不会飞离地球,也不会落下来。如果这个速度和地球自转速度相等,从地球上看物体就像静止一样。说到这个,老师也许会在黑板上画条线,把物体和地球连起来。如果真有这条线呢?理论上就可以顺着它爬到天上去。

这些人依据的是牛顿力学。一个物体达到一定速度,就既不会飞离地球,也不会落下来。如果这个速度和地球自转速度相等,从地球上看物体就像静止一样。说到这个,老师也许会在黑板上画条线,把物体和地球连起来。如果真有这条线呢?理论上就可以顺着它爬到天上去。

真实的通天路

巴比伦的通天塔其实有名无实,据考证它只有200余米高。原因在于他们想:神自然会到塔顶来见他们。《聊斋志异》里的《偷桃》就比较神奇:一术士将一根绳子抛入云端,他儿子攀绳而上,从王母娘娘园中偷桃一个。不久绳断,儿子的身首纷纷坠落,得了官家许多抚恤银两后,术士的儿子突然完好如初。有人考证这是一种印度幻术。

从10月20日开始,在美国新墨西哥州拉斯布鲁塞斯的沙漠里,一些人也在为找一条登天路而手忙脚乱。他们显然没有那么魔幻,试验中的“通天塔”是一根被吊车悬挂起来的55米长的绳子。登天的是几台机器人,或者叫“爬升器”。从2005年起,美国“飞向太空”基金会组织了天梯大赛。今年为期3天的比赛是第二届,有16个队参加。携带相同的重量,谁的爬升器能以超过1米/秒的速度登顶并返回,就能赢得NASA“百年挑战赛”计划提供的20万美元大奖。

这些人依据的是牛顿力学。一个物体达到一定速度,就既不会飞离地球,也不会落下来。如果这个速度和地球自转速度相等,从地球上看物体就像静止一样。说到这个,老师也许会在黑板上画条线,把物体和地球连起来。如果真有这条线呢?理论上就可以顺着它爬到天上去。

这样的想法最早被俄国火箭先驱齐奥尔科夫斯基在1895年提出,不过他设想的是一个建在巨塔顶端的“天空之城”。阿瑟·克拉克1978年的科幻小说《天堂的喷泉》描述了一个建在赤道岛屿上的“天梯”。具体方案最早于上世纪60年代出自苏联工程师尤里·阿楚塔诺夫。

设想的天梯重心位于距地面3.58万公里左右的地球同步轨道上,从这里再往上、下同时修建数万公里的缆索。由于离心力刚好抵消地球引力,就绷紧了一根“顶天立地”的天梯。之所以是幻想,因为一直没有材料能造出强度和重量符合要求的缆索。当年有人问克拉克:天梯需要多长时间才能实现,他的回答是:“大家停止嘲笑后的50年。”

1991年出现了碳纳米管,天梯的可行性突然大了起来。在2003年9月15日的第二届国际天梯会议开幕式上,克拉克从斯里兰卡的家里向大会更新了他的预测:“它将在大家停止嘲笑后大约10年建成。”

顺杆爬

侯宝林有个著名的段子,说一个醉汉让另一个顺着手电筒的光柱爬上去,那位说:“不爬,你一关电门,我掉下来了。”天梯正是如此。它的另一大优势在于由地面提供能量源。相比之下,今天航天飞机携带的重量有90%是燃料。天梯大赛的波束推进挑战赛靠的是激光、聚光灯或微波为爬升器的电动机提供能量。最终加拿大USST(萨斯卡切万大学太空队)的爬升器在3万瓦的聚光灯照射下,用57秒到达缆索顶端。如果再快2秒,他们就能获得20万美元奖金。队长马修·埃文斯说:“差一点拿到大奖,只需要聚光灯的能量再强一点就行。”

与去年初出茅庐的赛事相比,这已经是巨大的突破。去年在加州的首届比赛设立了50米的缆索,7支队伍没有一个爬到12米以上,今年有4个队登顶成功。大赛组织者、“飞向太空”基金会负责人本·谢里夫说:“真正实现之前,一切都是疯狂的,火箭没实现前也一样。迄今尚未实现的一切都称得上疯狂,我喜欢做这样的事。”

也许最有趣的还是参赛12个队身上的草根性。“波束器1号”有的部件干脆就是咖啡罐。“堪萨斯城太空海盗”队15人的庞大阵容其实是队长布里安·特纳和他的妹妹、父母等人,连邻家小孩和他的妈妈都一齐上阵。他用每个面积为3米×1米的20个镜面把阳光的热量集中起来,爬升器上的一个抛物面再将其集中30倍,照射到太阳能电池组上。“涡轮爬行者”队由德国杜塞尔多夫的高中教师约恩·鲁塔特和学生们组成,他说:“我觉得天梯是个幻想,但最重要的是激发学生对工程的兴趣。”可能被称作“天梯之父”的布拉德·爱德华兹说:“天梯还有太多未定之数,激发任何观点和热情都有帮助。”

这些越轻越好的爬升器基本上就是个昂贵的大风筝,但绷得紧紧的缆索往往被风吹得像弦一样颤动甚至扭曲,使爬升器的太阳能电池板不断偏离光照。在考验面前,各队的爬升器花样百出。有的要么在缆索上打滑,要么卡住,骑虎难下,有的烧坏了光电池组。USST队原计划的激光器失灵,不得不借用聚光灯,人马座公司的微波动力也功败垂成。

由于“百年挑战赛”的另一项内容,缆索挑战赛也没有队伍达到标准,奖金将继续滚动到明年。明年的参赛者也将增加,很可能会有麻省理工学院和弗吉尼亚理工学院的队伍。“明年我们的高度将增加一倍,他们的速度也得快一倍。”谢里夫说。爱德华兹预计:几年内将把缆索用气球吊到3公里高度进行比赛。不过,埃文斯说他不知道USST是否还会回来。“没得到奖金,我们大家都一文不名了,正找赞助商呢!”他说。

“飞向太空”基金会与NASA还决定:每年一度的天梯挑战赛将举办到2010年,奖金分别递增为每项比赛每年30万、40万、50万和60万美元,“百年挑战赛”总奖金达到400万美元。这些比赛促进的无线能量传输技术也能用于载人探月和长时间火星探测。“百年挑战赛”计划的肯·大卫迪安说:“NASA已经从所有参加‘百年挑战赛’队伍的热情和创新中获益匪浅。如此多的手段、如此丰富的个人和团队是常规渠道接触不到的。”

2005年的首届天梯挑战赛是在一个办公停车场举行的,当时最引人注目的是坐在轮椅上的得克萨斯人文斯·洛普列斯蒂,他的爬升器也是用一辆旧轮椅的框架制成。问他为什么参加,他笑笑说:“谁说轮椅不能飞!”下一届天梯大赛定于2007年6月举行,已有45支队伍登记,洛普列斯蒂和他的队伍雄心勃勃,他们想用精确的激光二极管和假人证明爬升器载人的前景。他说:“我们将向NASA表明我们是当真的,太空业务。”

“上升港”的梦想

在2003年的第二届国际天梯会议上,阿瑟·克拉克认为:天梯将改变我们对可能性的认识,甚至会超出人们的想象。这一年,已合作创办“高梯”(HighLift)公司3年的迈克尔·莱恩和爱德华兹分道扬镳。两人在华盛顿州普吉特湾两岸分别成立了“上升港”集团和Sedco公司,但他们的目标还是同一个——将天梯从设想变成现实。

2003年,一项NASA先进概念研究所的研究认为天梯15年内可望实现,并为“高梯”公司提供了50万美元的概念研究经费。据此,爱德华兹等人定下了2018年4月建成一座天梯的目标。设想中的天梯一头固定在赤道附近太平洋的一个海上平台上,另一端连接在一个配重物上。这个现代世界奇迹总长接近10万公里,是2005年世界最高的独立建筑——多伦多CN塔(553.34米)的18万倍,也远远超过航天飞机的平均轨道高度(185~643公里),接近地月距离的1/4。包括配重在内,整个系统重约1500吨,但由于力的平衡,底部对地面的拉力只有约20吨。因为密度与莎纶合成纤维相当,缆索即使断裂后落下来,也只是铺到整个地面,像一场全球彩带游行,而不是流星大撞击。

在地球发出的激光波束推进下,爬升器可携带15吨有效载荷,以200公里/小时的速度稳定运行,到达距地面约3.6万公里的地球同步轨道单程需要7.5天。它没有过大的加速度,也没有震动,因而可以携带大型、脆弱的货物,还能将货物直接抛入环绕月球或逃离地球的轨道。最初的天梯将由火箭发射到地球同步轨道,放下较细的缆索,与地面连接后,再由爬升器携带更多的缆索上天,不断扩建,整个建造过程大约需要两年半。

天梯的建造和部署费用不到100亿美元。因为所有操作都在地面站进行,运转费用也只有100美元/磅。这相当于一列低成本、大容量的太空列车,每年能将数千吨货物送入太空,成本从现在的2.2万美元/公斤下降到220~880美元/公斤。发射一颗卫星需要5亿美元(不包括保险)将成为过去,自铁路以来还没有这样的商业奇迹。爱德华兹说:“突然,太空将对真正的人类活动敞开。谁先建成天梯,谁就拥有垄断地位。”

2005年9月20日,只有14人的“上升港”公司达到了一个里程碑。他们在华盛顿州东部将一根玻璃纤维缆索从直径4米的充氦气球上悬吊下来,一个电池动力的机器人“达摩克利斯之剑”最高爬到了305米。2006年1月,他们又在凤凰城外的亚利桑那沙漠用3个大型气球悬起了一根1.6公里的碳纤维缆索,电池动力的机器人爬升器最终爬到了距地面约460米。

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