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日本已经开始了通过开放式创新建造太空电梯的竞赛

自从上世纪60年代阿波罗登月以来,只有500多名宇航员到达过太空100公里的神圣高度。但随着今年维珍银河Virgin Galactic商业太空旅游的出现,将会有更多的人(包括非宇航员)能够从地球上空一睹地球的风采。由亚马逊创始人杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)创办的航空航天制造商和航天服务公司蓝色起源公司Blue Origin也有望在年内开始销售太空旅行的门票。

为了一睹太空的景观,人们可以花很多钱买一张到太空去的门票,但即便如此,在太空中体验零重力的感受也只能持续短短的几分钟而已。那么,每个人都能以小时为计算单位来体验失重,而且不需要接受什么培训,这一天是不是能够到来?在日本,研究人员正在研究一种“太空电梯”以便以最大限度地降低成本并减少对环境的影响的方式实现这一目标,而不像传统火箭那样要消耗大量燃料。

这种太空电梯是一种电动驱动器,被称为“爬升器”,在地面和静止轨道上的卫星之间沿着一条细长的缆绳做上下运动,同时使用另一条外部缆绳来平衡离心力。这个缆绳的总长度可以达到10万公里。

在1991年之前,除了科幻小说之外并不存在足以构建这种缆绳结构的材料,后来物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)博士发现了足够轻盈且具有理论强度可用来构建缆绳的碳纳米管的特性。2012年,大林组公司(Obayashi Corporation)宣布了到2050年连接地球和太空的太空电梯的建设计划。

测试案例:开发一个“精密猛禽项目”

为激励年轻科学家并推广太空电梯的概念,2011年、2012年、2016年和2018年在德国慕尼黑技术大学举办了名为“欧洲太空电梯挑战赛”(EUSPEC)的竞赛。由Kaishu Koike和Naoki Arakawa组成的日本大学的“猛禽团队”参加了所有四场比赛。两人都是大四生,也是青木实验室的成员,该实验室由日本大学科技学院精密机械工程系教授青木义雄领导。

“猛禽团队”Kaishu Koike(左;控制电路设计、编程)和Naoki Arakawa(机械工程)。“猛禽团队”供图。
 
日本大学科技学院精密机械工程系青木义雄。青木义雄供图。

该团队除了积极推动太空电梯的研究之外,还一直致力于强度计算、耐久性和建筑机械结构的安全性研究。在2018年的挑战赛中,“猛禽团队”取得了高级班的全面胜利,并在安全、建筑质量和创新类别的奖项中获奖。每个团队都开发了一种需要在速度、效率和准确性方面接受评估的爬升器。

为了建造爬升器,该团队使用CAD软件对组件进行建模,然后组装,并根据情况随时进行调整。“我们创建了一个环绕驱动马达的框架,在考虑传动的同时,对马达进行定位,然后制作模型并插入一个正齿轮和锥齿轮,”Koike说。“在决定形状时我们采用的方法是,首先组装大部件然后逐渐转向精细部件。”

让重量为1.1公斤的这八个有效载荷中的每一个都维持速度的关键就是在使用三轴CNC进行加工的过程中让爬升器自身的重量尽可能地小。“通过使用蜂窝的方法,主框架被尽可能地挖空,在保持足够的刚性和良好的外观的同时,我们把重量减轻了大约60%,”Koike说。

“猛禽”的外观,使用欧特克Fusion 360制作。“猛禽团队”供图。
“猛禽”的渲染图像,可以从外边看到蜂窝状的内部结构。“猛禽团队”供图。
 
“猛禽”的3D打印端盖的设计得到了飞机雷达罩(雷达外壳)的启发。

该竞赛有四个指标:有效载荷数量、速度、准确上升到预定高度(以及安全下降),并尽可能少地使用能量。“机体只完成了一半,要想提出一个能够满足上述所有要点的设计是非常困难的,”Aoki说。

Aoki说,该团队“在模拟的同时,以极快的速度设计了‘猛禽’”。它的最高速度达到了每小时110公里,即使在使用了最大重量时,“猛禽”仍保持了速度和有效的制动机制。“最重要的是,能够使用控制技术让“猛禽”正好在100米处停下来,我认为,完成这个艰巨任务确实很了不起,”他说。

当“猛禽团队”进行操作测试时,第一种设计的减速比不够,而且无法提起八个有效载荷。该团队在比赛开始之前做出了改变,重新调整了框架并重新制作了齿轮,并将设计和CAM与欧特克的Fusion 360进行了结合;当团队在模型上对形状进行改变时,很快就制造出一个新零件,从而节省了时间。

一种混合的方法

日本科学委员会正在提出一种“混合式太空电梯”方法,这意味着同时开发一个从地面建造的概念和一个在太空建造的概念。精密机械工程系正在推进从地面建造爬升器的开发,同时也在协助对在外层空间建造电梯的研究。

此外,静冈大学和大林组公司之间的联合开发项目“空间系留自主机器人卫星 — 迷你电梯”(STARS-Me)将一个小型爬升器移动到了连接两个小型卫星的缆绳上。青木实验室正在进行缆绳部署机制和爬升器的设计开发。

japan space elevator obayashi corp
大林组公司新设计的将于2050年建成的太空电梯系统的图示。大林组公司供图。

由于这是一个未知的领域,除了围绕太空电梯的技术之外还有一些问题需要在发射前解决,这些事情的发生离现在可能不太遥远。

“但如何才能充分应对包括恐怖主义威胁在内的法律和安全问题,到目前为止,我们还没有妙招,”Aoki说。“接下来,我们需要应对这些难以解决的问题。但如果我们能够解决这些问题,而且如果有更多的公司支持我们,我相信在2030年代让货物运输太空电梯投入运营是完全有可能的。”