书城教材教辅走向未来(科技发展大趋势·科学新导向丛书)
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第4章 航空航天的未来(3)

于是,科学家又想出了一个折中的方案:在使用化学火箭作为助推器的同时,利用行星的重力来增加飞船的推动力,也就是依靠地球和火星的重力给飞船增加推动力。为此,首先就要在绕太阳运行的轨道上建立几个周期性接近地球和火星的长期性空中基地——“太空城堡”,机组人员可在那里居住两年乃至更长的时间。

在“太空城堡”和火星或地球相接近期间,来往于行星间的旅行者所使用的小飞船,就可以像地球上的出租车一样,在星球和城堡之间往来。这种小飞船将使用离子推进技术——这样一来,不仅缩短了飞船的旅程,也无须携带或在火星上生产大量燃料,克服了使用化学火箭的弊病,且飞行时间还可以缩短。

尽管小飞船有这么多优点,但它的可行性还有待商榷:它的造价实在是太高了,很难和传统的登陆火星方案价格相比;而且必须进行大规模的投资,才可能把纸上的方案变为现实。

登陆火星并不容易

载人飞船登陆火星有很多问题需要解决:人类还从未离开地球如此遥远,从心理上来看,这会对宇航员造成什么样的压力呢?人们能在狭窄闭塞的空间里融洽地相处两三年吗?火星探索还是男士优先,女性同胞的加入是否能协调气氛?这些先锋使者到达火星后需要用到什么设备和技术?知道火星大气层中含有大量的水分子是一回事,能把它们“挖掘”出来变成可饮用水,或是火箭燃料又是另外一回事。谁会是第一个把脚印印在火星上的人呢?他或者她很可能是美国人——在相当长时间内,只有他们才有这个实力和财力。

太空旅行的新方法

未来将架在太空中的太空梯在古代,人们由于对自然界了解甚少,会产生许多绚丽而又幼稚的幻想。其中,就有通过梯子爬到天堂的传说。

现在,人们要进入宇宙,就必须通过航天飞机或宇宙飞船才能实现。然而,要进行一次航天飞行,却是一个非常复杂的过程——如果真能有个直接连接到天上的梯子,到太空旅行就容易多了。

这一梦想有望在2030年实现!届时利用先进的纳米碳管技术,人类将轻松“爬”上太空去旅行。

海空之间的“太空梯”

其实,修建直接通往宇宙的“太空梯”一直是人类的梦想。人们想象中的“太空梯”是这样的:一根长达数万千米的缆绳,一头拴在海洋中的平台上,另一头则连在太空中的一个平衡锤上。缆绳随着地球一起旋转,利用由旋转所产生的离心力来抵消地球的引力。这样,它便得到一个向外的张力,从而使“太空梯”在地球和太空之间竖了起来。机器人升降机将沿着太空梯升降,将卫星、宇航员送入太空。

这一设想正在逐渐变成现实。目前,美国的一家公司向修建“太空梯”这一伟大目标迈进了一小步:他们已经成功完成了对名为“达摩克利斯之剑”机械爬升器的试验。这是一个可以沿着一条系在高空气球上的长带子随意爬上爬下的新型机器。此次试验被认为是为将来利用“太空梯”,在地球与太空之间运送货物所进行的先驱性试验。而且,试验是秘密进行的。

这家公司的负责人表示:“试验在华盛顿东部的一个地点进行,之所以不透露试验地点,主要是考虑到安全原因。万一我们那个23磅(约10千克)的机器人从绳子上掉下来,我们可不愿意看到有现场观众正好在它下面。”

这次试验是这样进行的:人们使用了一个直径约为4米的气球,一个工作人员在地面上用安全绳将气球固定在空中,气球上还连接着一条用合成玻璃纤维制作的“绳梯”,机械爬升器沿着这条“绳梯”升降。

试验当天,爬升器成功地向天空爬了大约305米。试验相当成功,这让该公司的研究人员充满了信心:还可以升得更高、应该可以利用热气球升到1 500千米的高空。不过,他们还需要进行一系列的试验——对通信系统、射程传感器、全球定位系统以及气温和摄像系统等进行评估。

完美的“太空梯”

尽管试验成功了,但“太空梯”研究小组清楚地认识到,在他们的劳动成果被充分证明可以使用之前,他们还有很长的路要走。此次试验仅仅是朝着正确的方向迈出了一小步,至少试验显示,硬件设计是正确的。但是,为了保证长长的“太空梯”牢固可用,还必须对“太空梯”材料提出更高的要求。纳米材料技术的出现为达成这一理想提供了一条“捷径”。

(1)坚固的梯身。为了给“太空梯”制造一个坚固的梯身,研究人员专门在美国新泽西州建立了一个纳米技术工厂。在这家工厂里,出乎人们意想之外的坚固材料正在一米一米地生产出来,现在最迫切需要解决的难题,就是用什么样的方法把这些管子连接起来,要知道,管道连接得越长,对它的稳定性要求也就越高。

(2)想象不到的动力。“太空梯”上的那架升降机上上下下是需要动力的,但几乎所有的传统动力对于它都不太合适:要么是能量传送速度太慢;要么是能量在传送过程中消耗太大。在这个问题上科学家们想到了光:光在真空中的传播速度为299 792 458米/秒,根据爱因斯坦的相对论,没有任何物体运动的速度可以超过光速。这样的话,当升降梯上升到几万米光源充足的高空时,就不会有能量接济不上的情况发生了。

事实上,美国宇航局早在其“百年挑战”计划中就提出了两项有关“太空梯”的设想,并且把这两种想法设计成了科技竞赛:一项是“拴绳挑战”,另一项是“波束能量挑战”。“拴绳挑战”的目的是测试碳纳米管材料的强度和重量,而“波束能量挑战”则是测试以高强度光源为动力的太空梯爬升功能。每年都有不少大学和工业界的参赛队伍报名参加这项赛事的角逐。

目前,“太空梯”的设计正在紧锣密鼓地进行中,科研人员初步估计,未来数年内就可以完成“太空梯”的原型设计。但是,太空梯的升降梯制作则需要多花20年的时间才能完成。与此同时,“太空梯”也存在不少技术问题需要解决,例如:如何避免低空飞行的飞机撞上爬升器的缆索。有科学家就表示,可以在地球靠近赤道的位置建立浮动基地,以保持与飞机的航线始终有500千米的距离。

现在,人类的太空梦想正在逐一实现。因此,我们对“太空梯”也应充满信心,但愿这一天能早日到来!

未来的太空探索者

在我们的生活中,随处可见昆虫的身影。昆虫是自然界中的重要一员,在地球上已经至少存在了3亿多年。现在全世界的昆虫大约有100万种以上,占所有动物种类的2/3。昆虫的分布范围极为广泛,从赤道到两极,从海洋、河流到沙漠,甚至上到世界最高峰——珠穆朗玛峰,下至几百米深的土壤里,都有昆虫的身影。

由于昆虫有着极强的环境适应能力,因此科学家希望能模仿它们做出机器昆虫,以用来探测其他星球上的各种复杂环境。

慢得像蜗牛的火星探索者

2004年1月,“勇气”号和“机遇”号探测车成功登陆火星表面,实现了人类探索太空历史性的突破。它们向地球每一次发送回来的资料数据,都足以让科学家们激动不已。