天梯技术研究进展

<p>　　<strong>引言</strong></p><p>　　随着人类社会的不断发展，对航天任务的需求越来越强烈，未来航天活动将变得越来越频繁，甚至可能成为一种日常的活动，这就对进入空间的方式从经济性、可靠性、安全性方面提出了新的需求。为了应对这种需求，需要在运载火箭外开拓新的途径，天梯作为符合以上要求的概念，自提出以来备受国际航天领域的关注，并开展了大量的前期研究工作。</p><p>　　最早提出太空天梯设想的人是著名的航天先驱齐奥尔科夫斯基。从技术角度第一次描述天梯概念的是英国人阿瑟·克拉克。1978 年，阿瑟·克拉克通过初步分析，得出天梯对绳索材料强度的要求太高，在当时根本无法想象。</p><p>　　材料技术的限制是天梯一直未得到足够关注的主要原因之一。随着材料技术的发展，尤其是20 世纪90年代碳纳米管的出现，为解决天梯缆绳技术的问题提出了可能的途径，之后针对天梯的研究越来越多。2003年，美国人爱德华兹和韦斯特林出版了名为《天梯》的著作，围绕天梯开展了大量的讨论和工程研究，较为全面系统地分析和总结了天梯的概念、组成、特点、关键技术和可行性等内容；另外，国际上进行了大量的天梯系统及相关关键技术研究，成立了多个研究和推动天梯项目的学会和组织。国际宇航科学院2010 年组织开展了有关天梯概念、方案和可行性等方面的再一次的总结性研究，完成了《天梯：技术可行性分析和未来发展路线图研究》的研究报告，研究表明天梯在技术上是可行的。报告通过分析给出了天梯研制的路线图，预计可以在2050 年左右完成天梯的建设，并开始运营。</p><p>　　天梯是一种将有效载荷从地球表面运输到空间的低成本解决方案，其原理为：通过特殊材料制成的缆绳将地球表面的锚点与位于GEO 轨道的空间平台连接，通过运行于缆绳上的货仓将有效载荷送入空间。预计天梯运送GEO 单位质量（kg）有效载荷成本为500 美元，与火箭相比降低两个数量级；可实现7×24 h不间断、常态化运输，每周能够运送百吨级的有效载荷进入空间，且对有效载荷包络没有要求，完全重复使用；相比于利用具有爆炸危险推进剂的运载火箭而言，天梯利用太阳能等绿色能源，具有固有的环保和安全性，安全系数大大提高。综上，天梯被列为未来航天运输发展的重点方向之一，对未来大型空间平台的建设（太阳能电站等）具有不可替代的优势，天梯的发展必将革命性地改变整个航天运输领域的模式，为此，有必要开展天梯系统的研究工作。</p><p>　　<strong>1 需求分析</strong></p><p>　　1.1 大规模空间任务平台建设的需求</p><p>　　随着航天技术的发展，大规模的空间基础设施的需求也越来越强烈，例如空间太阳能电站、大型空间站等。然而，目前以化学推进为主要动力的航天运输系统无论是运载能力、经济性，还是运输成本均无法满足大规模空间基础设施的需求。国际上目前在役的运载火箭的LEO 最大运输能力为20 t 级，重型火箭的运载能力也只能达到百吨级。</p><p>　　天梯可实现不间断运输，初步设想每组运载器运载能力达百吨级，实现365 天、每天24 h 不间断运输，寿命可达50 年以上，这为未来大规模空间平台的建设，以及大规模空间运输的常态化提供了良好的选择，是未来建设空间太阳能电站（万吨级）的最优选择之一。</p><p>　　太阳能电站及天梯的建设和运营可以相互支撑，在天梯建造的初期，天梯所需的能量可由地面供应，将空间太阳能电站分模块分批次运输至GEO 轨道，再组装形成空间太阳能电站，然后再将能量供给天梯，天梯切换为太空太阳能电站供能。</p><p>　　1.2 航天发射的常态化需求</p><p>　　随着人类的发展，对空间利用和空间探索将越来越频繁，甚至变得日常化，而传统的运载火箭模式，由于其系统复杂，单次发射准备时间相对较长、操作复杂等原因，将不能满足未来航天运输常态化的要求。而天梯作为一种24 h 不间断地运营方式，准备时间短、成本低、运载能力强、操作方便、能源安全环保等优势，能够满足未来对航天运输常态化的要求。</p><p>　　1.3 低成本进入空间的需求</p><p>　　目前国际上主流运载火箭的LEO轨道发射的单位质量成本为1~2 万美元，GEO 等高轨及深空探测任务的发射成本更高，未来空间探测和空间利用将越来越频繁、越来越常态化，因此未来大规模空间设施的建设，常态化的航天发射，必须寻求更加经济实惠的航天运输模式。天梯本身较为简单的构造和不间断的运输方式将使其运营成本大幅度降低，运输总体成本有望降到GEO 轨道单位质（kg）有效载荷发射成本500 美元，甚至更低。</p><p>　　1.4 大型空间设施的快速发射的需求</p><p>　　在发生紧急状态时，需要快速部署空间设施，特别是较大型的空间设施，在较短时间内将空间飞行器送入太空。目前航天运输工具比较有限，采用现役大、中型液体火箭的发射周期较长（一般为数周），目前小型固体运载火箭可以在1 天内将不超过1 t 的设施发射进入近地轨道，但面对更大规模有效载荷的快速发射就无能为力。</p><p>　　天梯的发射模式及能源供应模式，决定了它具有简易快速发射的能力。天梯不采用目前的化学推进剂提供能量使载荷入轨，而是采用自身携带的电池阵、或者太空电站，或者地面电站提供的大功率电源，省略了推进剂加注、装填和检测的复杂过程，能够实施像电梯一样快速简易的运输方式，满足一次快速发射近百吨空间设施的需求。</p><p>　　1.5 安全性与环保性的需求</p><p>　　目前基于化学推进的运载火箭都存在安全性的问题，本身均存在爆炸的危险，对人员、地面设施及运载火箭本身都具有安全性威胁；此外，运载火箭上应用大量的高压容器，也存在安全隐患，因此基于化学推进的运载火箭，其危险的存在往往是不可避免的。</p><p>　　天梯具有较好的安全性，其运行原理决定了它在运行过程中具有故障恢复的能力。一方面可以布置多根绳索作为备份，防止绳索断裂造成事故；另一方面，攀爬器可以通过专门的机构防止其故障后脱离绳索或自由滑落。天梯主要以自身携带的电池阵，或者地面电站、空间太阳能电站等提供的电能作为能源，动力机械有多种选择方案，例如激光推进、普通电机等等。</p><p>　　1.6 有效载荷技术要求和环境的需求</p><p>　　天梯运行速度不快，初步设想在每小时几十至几百公里，其运载工具整流罩可以大大简化，甚至取消，且运载工具体积可以较大，对有效载荷的体积和形状都没有严格限制；其过载等力学环境非常好，像电梯一样，这又对有效载荷的设计要求进一步放宽。</p><p>　　<strong>2 天梯系统基本组成和基本原理</strong></p><p>　　2.1 天梯系统的基本组成</p><p>　　天梯系统的基本组成如图 1 所示，整体天梯系统主要由天梯绳索、地球表面节点、GEO 点平台、顶点锚、攀爬器等构成。</p><p align="center"> </p><p>　　缆绳是天梯系统最重要的组成部分，其主要功能是向攀爬器提供攀爬的途径，使其能够沿着缆绳从地表节点进入空间，同时平衡整个天梯的重力与系统绕地球转动形成的离心力，因而对缆绳的材料有着极高的要求；攀爬器是运输有效载荷进入空间的运载器，其沿着缆绳爬升，进入轨道后将有效载荷释放；地表节点和空间锚点分别位于缆绳的两端，起到固定缆绳位置、调整缆绳姿态的功能。能源供给系统主要提供攀爬器向上爬升的动力能源。</p><p>　　2.2 天梯系统运行的基本原理</p><p>　　2.2.1 平衡位置受力分析</p><p>　　为了便于分析，将天梯系统简化为两端连接小球的绳子系统，并忽略绳子质量。对天梯平衡位置处进行受力分析，如图2 所示。</p><p align="center"> </p><p>　　假定天梯系统的质心O 位于GEO 节点，节点处运动角速度为ω。当天梯系统以角速度ω 运动时，GEO 节点以下的部分对GEO 节点施加向下的拉力，而GEO 节点以上的部分对GEO 节点施加向上的拉力，绳子会产生一定的张力，天梯系统位于平衡位置。</p><p>　　2.2.2 偏离平衡位置时系统受力分析</p><p>　　当天梯系统偏离平衡位置时，GEO 节点上下部分依然受到地球引力、和绳子张力作用，系统受力情况如图3 所示。</p><p align="center"> </p><p>　　地球引力C1 F 和绳子张力T1 的共同作用，会对质心O 处产生一个力矩M1。同理，分析GEO 节点以下部分受力情况，会在质心O 处产生一个力矩M2。在M1、M2 合力矩的作用下，系统会逐渐向平衡位置运动，并在轨道面内作周期性的摆动。由于天梯系统的绳子长度长、质量大，天梯系统的摆动周期也较长。</p><p>　　2.2.3 天梯有效载荷发射基本原理</p><p>　　整个天梯以地球自转角速度围绕地球进行旋转，沿着天梯越远离地球表面其能量越大；有效载荷沿天梯向上攀登，其能量越来越大，而到达GEO 轨道时，其能量刚好等于GEO 轨道飞行器所需能量。从天梯上将有效载荷运输到各个不同的轨道分为以下几种情况：</p><p>　　a）GEO 轨道：直接将有效载荷运送到GEO 点，释放即可。</p><p>　　b）地球逃逸轨道：将有效载荷运送到GEO 点以上位置，其将获得更大的能量，而且能量增加很快，当其能量达到一定时，释放有效载荷进入逃逸轨道。由于释放的轨道与目标轨道往往不尽相同，有效栽荷离开天梯后，需要额外的变轨推进来进行轨道调整。</p><p>　　c）LEO、MEO：在达到GEO 之前释放飞行器能够确保飞行器进入MEO 或LEO 轨道。经过计算，有效载荷需要达到天梯上的23 390 km高度才能获得足够的动能和势能，使有效栽荷进入一个安全释放的椭圆轨道，该轨道的近地点高度大于地球半径。离开天梯后，飞行器的默认轨道倾角为零，如果需要轨道倾角，还需要改变轨道倾角的能量。从天梯攀爬器释放卫星与通过火箭末级或者上面级释放卫星的过程类似。此外，也可以通过攀爬器配有的机械臂来完成卫星释放工作。</p><p>　　若卫星需要返回地球，可以利用机械臂抓捕卫星，然后利用攀爬器将卫星送回地球。攀爬器的下降过程与上升过程类似。若抓捕到废弃卫星，可以利用攀爬器将废弃卫星运送至天顶锚处，以增加天顶锚的质量。</p><p>　　<strong>3 天梯初步总体参数</strong></p><p>　　为了使天梯系统受力稳定，需要保证天顶锚受力等于绳子的拉力，这就可以建立天顶锚质量与绳子材料参数、截面积等参数的关系。在绳子锥度比确定的情况下，可以得到绳子的横截面积随高度的变化关系，进而计算出绳子的质量；根据天顶锚处的受力分析，可以计算出天顶锚的质量。为了保证系统的稳定，地面节点的质量要比天梯空间部分（主要是天顶锚和绳子）质量大两个数量级以上。</p><p>　　根据碳纳米管材料的发展情况和趋势分析，假定碳纳米管材料在未来极限应力能够达到50 GPa，允许使用应力达到35 GPa，其体密度为1 300 kg/m3，弹性模量为103 GPa。给定绳子长度，通过计算得到天梯系统绳索总质量、天顶锚的质量等。</p><p>　　天顶锚点的质量与其距 GEO 节点的距离有关，绳索长度达到150 000 km 时，天梯系统不需要天顶锚就可以维持稳定；绳索为100000 km 时，天顶锚的质量约为1 900 t。</p><p>　　天梯各组成部分的总体参数见表1。</p><p align="center"> </p><p>　　<strong>4 结束语</strong></p><p>　　本文对国内外研究进展进行了综述，介绍了天梯系统的概念，给出了相关需求分析、天梯的系统组成和天梯运行的基本原理，以及初步的总体参数，为后续天梯系统的深入研究提供参考。</p><p>　　天梯系统能够满足未来大规模、常态化、低成本的空间任务要求，对未来大型空间平台的建设（太阳能电站等）具有不可替代的优势。天梯的发展必将革命性地改变整个航天运输领域的模式。</p><br />