一种人造天梯及太空列车

技术领域  本发明涉及一种人类登入太空的通道及运载工具。

技术背景  人类要进入太空，最大的难关就是克服地球的引力。利用航天飞机运输， 每100克货物约需1500美元，这实在太贵了。科学家从高入云霄的铁塔和摩天大楼中的 高速电梯得到启示，设想建造一个具有同步卫星高度的铁塔，在塔中安装高速电梯，那么 人们就可以随意往返太空和地球之间了，然而，这仅是一个设想，这样的高塔要有3.58 万公里高，为了保持塔身的稳定，使其不被自身的重量所压弯，塔地面积至少得占地40 万平方公里，这是难以做到的。还有的科学家提出建造一个同步卫星往下延伸的倒梯的主 意。他们设想从卫星上挂下一个梯子通到地面，这个从天而降的梯子长达3.58万公里。 如果卫星带着这样一个又长又重的梯子，在地球引力(即重力)的作用下，会连同梯子一 起掉下来，如何使这个“下天梯”以及卫星悬在空中呢？必须再从地球向上建造一个“上 天梯”，当上天梯的高度达到10.8万公里的时候，它所受到的向上的力就同天梯所受向下 的力大小相等、互相平衡，卫星就不会掉下来。这个太空天梯便悬挂在空中了。还有就是 利用一种比钢的强度还要高许多倍的圆柱体碳分子材料—毫微管，把它制成刚强无比的缆 索，让太空列车沿缆索上下穿梭，这种缆索如此巨大，以至于不得不逮住一个小行星，把 它拖到地球轨道上来充当配重保持平衡。上述只是人类的种种构想，无法实现人类自由进 入太空的愿望。

发明内容  针对现有技术的不足，本发明提供一种在现代科技水平可以实现，能够 制造的可使人类登入太空或向太空运送物体的人造天梯及太空列车。本发明采用以下解决 方案：

人造天梯由高100米的基座和高强度长达1000公里的通道组成，基座底部设有两条 交叉隧道，交叉处与基座顶部的天梯通道相联，两条隧道的四个进风口处设有大型温室， 隧道内部设有风力发电装置，天梯通道设在伸出基座顶部的套管上，外部涂有隔热材料， 内部涂有坚硬的碳纤维防弹合成材料。天梯通道外部涂有荧光粉，距地面20公里处设有 避雷针。基座高100米，直径500米，选址应避开风雨雷电的高发区。天梯通道可以这样 建造：用高强度防弹纤维材料，它纤细如游丝，却比钢绳还要强硬；轻薄如纸，却比钢铁 还要坚固，且性能超强，它的密度比水还小，置于水中可以浮起来，而且其强度与同直径 的钢丝相比还要高15倍，重量却只有钢丝的八分之一。这项被被列入中国科技部国家攻 关重大科技项目、国家火炬计划项目，并由宁波大成集团研制生产的高强防弹纤维使中国 成为继荷、美、日之后，世界上第四个拥有这项技术的国家。用这种轻薄如纸的材料制作 一个长达一个1000公里的口袋装在套管上，在基座底部加热空气，并吹向口袋，使口袋 伸向天空并悬浮在空中，由于空气的浮力作用，巨大的口袋就像热气球一样升向高空，当 口袋在高空遇到低温环境上升困难时，可封闭基座的四个进风通道，利用大型空气压缩机 向口袋充入高压空气并加热，迫使口袋继续升高，当口袋达到100公里以上时将处于失重 状态，在空气的浮力和地球自转产生的离心力的作用下，巨型口袋会不断向高空延伸，当 达到1000公里时，将口袋顶部向下的排气通道炸开，使口袋内空气向下喷出。此时，口 袋变成了一个通风管道，在基座底部加入氮化碳纳米复合涂料，通过管道内的高压气流对 管道内部进行喷涂，使管道内壁逐渐形成多层氮化碳纳米涂层，从而使管道成为一个壁厚 达10厘米，坚硬无比的天梯通道。它比相同壁厚的钢管强度将大15倍，能够承受巨大的 拉力和压力。

太空列车由运载舱、风帆及气流控制装置组成，运载舱上方连接由倒置的水桶型风帆， 气流控制装置安装在风帆顶部，太空列车通过风帆来推动列车在天梯内部高速运行。列车 由高强度防弹纤维制成，倒置的风帆厚达30厘米，能够承受500吨的压力。人造天梯建 成后，直径5米的天梯可通过太空列车把物体送往太空，我们通常把等于76厘米高水银 柱定为一个标准大气压，一个标准大气压＝1.0336公斤/(平方厘米)，这说明大气压对一 个指甲盖大小的面积竟有一公斤多的压力。假如人的表面按20000平方厘米计算，我们的 身体表面时刻受到20000公斤的压力，平时我们感觉不到空气对自己的压力，这是因为人 体内的压强跟大气压强相等的缘故，太空列车在天梯内部运行，列车顶部与天梯内径紧密 结合，这样便会使太空列车上方形成真空，下面就是大气压强，天梯内径若按5米计算， 其横截面积392500平方厘米，若一平方厘米的大气压力按一公斤计算，那么此时太空列 车底部的压力将达到392500公斤，也就是392.5吨，若太空列车满载时为90吨，因为太 空列车顶部压力为零，此时太空列车将获得300吨向上的推力，因为太空列车运行的上方 处于真空状态，不存在空气阻力，这么大的推力足以使太空列车在天梯内部高速运行。当 太空列车要返回地面时，可关闭天梯基座的进风通道，列车在地球引力的作用下便会高速 下降。在天梯基座可设置太空列车装载运输的进出口，在不需运输时太空列车可脱离天梯 通道而存放在天梯基座。

本发明通过在天梯基座上建立天梯通道，利用风力向太空运送物体，以现代的科技水 平可以实现，能够制造。

附图说明  下面结合附图对本发明进一步详细说明：

图1是本发明人造天梯的结构示意图。

图2是可在天梯内部运行太空列车的结构示意图。

图中，1、温室2、隧道进口  3、隧道4、基座5、套管6、通道7、运载舱8、 风帆9、气流控制装置

具体实施方式  图1给出了本发明人造天梯的结构示意图，该天梯由高100米的巨 型基座4和高强度长达1000公里的通道6组成，基座4底部设有两条交叉隧道3，交叉处 与基座顶部的套管5相联，两条隧道内设有风力发电装置，外部有大型温室1，通道6设 在伸出基座顶部的套管5上，外部涂有隔热材料，内部涂有坚硬的碳纤维防弹合成材料。

基座由钢筋混凝土构成，修建隧道的混凝土可适当加入一些防弹纤维材料，以增强隧 道的抗压强度和密封性能。当天梯基座修建好后，可在隧道的四个出口分别建起高在4米、 方圆10公里的温室，其内部的冷空气经太阳照晒升温后便会沿隧道向隧道交叉中心聚集， 从而形成每秒在70-90米以上的高速气流。

用高强度防弹纤维材料制成，轻如薄纸却比钢铁还要坚固的布料，用它围成外径为5.4 米、长1000公里的巨型口袋(当然这么长的口袋不可能一次缝制)，布料宽16米，其抗 拉强度可在千吨以上，当长度在1000公里的布料加工好后，便可把它运往基座4的顶部。 基座顶部的套管应再向上延伸50米左右，把缝制好的口袋倒扣在上面，口袋的顶部要加 厚，做成直径为20米左右的球状，以便加大它的抗压能力，并在球部的下方均匀安装4 个可遥控的小型炸弹，以便口袋达到1000公里的高度时，炸开球部下方的通气孔，使口袋 内部的空气高速流动。在口袋的外部喷涂隔热材料，以便增强布料的抗热性能，当一切准 备工作就序，便可在基座加热进入套管的高速气流使大量的热空气通过套管冲入巨型口 袋，此时，口袋就如同一个大型的热气球逐渐升高，口袋在升高的同时便可及时缝制粘接 口袋的两条接缝，套管中每秒80-90米的高速气流在冲入口袋的同时也使口袋快速上升， 当到达高空遇到低温环境几袋上升困难时，可关闭基座进风通道，利用多台大型空气压缩 机向口袋充入高压空气并加热，迫使口袋继续上升。当口袋穿过大气的对流层、平流层、 中间层时其高度在80公里左右，在热空气的作用下，整个口袋悬浮在空中，对基座不会 产生压力，80公里以上进入大气层的热层(电离层)，此时由于热层温度很高口袋的空气 会因此再次加热膨胀，使巨型口袋快速上升，当达到100公里的高度便会进入失重状态， 地球对它的引力作用已变得很小，在空气浮力和地球自转产生的离心力的作用下，口袋会 不断向太空延伸。当口袋到达1000公里的高度时，此时可以通过遥控炸开口袋球状顶部 下方的四个通风口，口袋中大量的空气便会通过顶部的通风口向下喷出，在高速气流的反 作用力和口袋随地球旋转产生的巨大离心力共同作用下，口袋便会垂直悬浮于太空之中。 此时巨型口袋便成了一个巨型的通风管道，这就是通道6的前身。通风管道形成后，可在 基座4的底部随高速气流加入大量的氮化碳纳米复合涂料，在高速气流的作用下均匀地喷 涂在管道的内壁上，从而在管道内壁逐渐形成一种厚达20厘米，韧而不脆、硬而不蚀、 耐高温又抗冲击，硬度可与金刚石媲美的纳米硬质涂层。地球是个自西向东自转的球体， 自转角速度为每小时15度，赤道线速度为464米/秒，高度每增减100米，其线速度增减 26米，天梯随地球一起旋转作圆周运动时会产生一个巨大的离心力，其天梯顶部的高度为 1000公里，其线速度可高达620464米/秒。离心力的大小与天梯顶部的质量和线速度成正 比，此时我们可不断加大天梯顶部直径20米的圆球内部涂层，使天梯顶部质量不断加大， 从而使天梯获得足够大的离心力。当天梯的离心力大于天梯的重量即向心力时，再加上高 速气流向上产生的反作用力，此时天梯便飘浮于空中，它对天梯基座不仅没有压力，反而 会产生一定的向上的拉力。这里可用一个小实验说明：用绳子一端悬挂一小球，用手握绳 另一端使小球高速作圆周旋转运动。当小球质量越大时，它对绳子的拉力也越大，当转速 增高时，小球对绳子的拉力也会随之增高。在整个旋转过程中，小球和绳子不但对手没有 压力，反而手要用力抓住绳子才能保证小球和绳子不会脱手而飞。做圆周匀速运动的物体， 由于本身的惯性，总有沿着圆周切线方向飞去的倾向，它所以没有飞去是因为向心持续地 把物体拉到圆周上来，使物体同圆心的距离保持不变。当天梯通道6建成后，便可通过太 空列车把任何物体通过风力送入太空。

最后，应在通道6外部从下自上20公里处的高度布置避雷针，以防雷电的袭击，另外 还要喷涂一层夜光涂料，以防其它飞行物的碰撞。

至此，人造天梯工程建造完成。

防弹纤维性能在天梯应用中的对比实验：防弹纤维抗拉强度为650MPa，一条直径为4 厘米的防弹纤维绳可吊起80吨的重物，天梯外径5.4米，周长16米，合在一起后直径可 达70厘米，能承受1200吨的拉力或压力。1吨防弹纤维可造1公里的天梯，天梯高度1000 公里，质量为1000吨，天梯100公里以上部分900吨的重量处于太空失重的微重力状态， 其重量只在200吨左右，因此天梯整体重量只有300吨左右，所以防弹纤维的抗拉强度足 够承受天梯的拉力和压力。当天梯整体加固厚后，因用来加厚的材料也是防弹纤维，因此 随着天梯重量的增加，其抗压或抗拉强度也会成倍增加。防弹纤维的适用温度为零下250 度至175度之间，燃点为560度。太空中物体向阳的一面温度为100度左右，背阳面为零 下100度左右，所以防弹纤维完全可以承受太空温度的考验。防弹纤维密度为0.97，比水 还轻，它的抗拉强度是同直径优质钢丝的15倍，是普通化学纤维的10倍，并具有模量高， 抗太阳紫外线幅射，抗老化和耐各种化学腐蚀，抗冲击，抗切割韧性等优点。

可制造太空列车在天梯通道6内运行，图2给出了太空列车的示意图。该太空列车由 运载舱7、风帆8及气流控制装置9组成，运载舱7上方连接有倒置水桶型风帆8，气流 控制装置9安装在风帆8顶部，呈圆形，直径4米，厚30厘米，它通过螺旋杆升高或降 低，当升高时气流便可通过风帆和控制装置之间形成的间隙通过，使列车上升速度降低， 下降后与风帆合为一体，使气流不能通过，列车高速上升。天梯基座的高速气流可推动风 帆使太空列车在天梯内部高速运行，太空列车呈圆柱形，其直径在4米左右，高10米， 其内部可分3层，每层3米，乘人载物均可，风帆8在列车上方1米的高度，形状有点像 一个倒置的水桶，其直径略小于天梯通道6的内径，高2米，通过气流控制装置9可调节 列车上下的速度。列车由高强度防弹纤维材料制成，其风帆和气流控制装置厚度高达30 厘米，能承受500吨以上的巨大压力。在列车底部还设有列车内部空气气压的调节装置， 以保证舱内人员自由活动和呼吸。若列车自重5吨，它每次可运载80吨的货物。太空列 车在天梯内靠大气压可获得300吨向上的推力，再加上天梯随地球旋转产生的离心力的作 用，几分钟内便可到达天梯顶部。

人造天梯完成后可有多方面应用。

1、利用天梯基座发电。当天梯完工后，进入天梯基座的空气将要完成的是从高气压到 真空的流动过程，其风力之大，流速之高可与台风、龙卷风相比，此时可在基座隧道中安 装上百个直径在5米的叶轮发电机。利用高速气流发出几百万千瓦的电力。

2、利用天梯发射卫星。天梯拥有巨大的风能和电能，可以把卫星运送到不同高度，利 用天梯发射卫星成本及低，不足火箭发射的千分之一，既不受天气限制又安全可靠每年可 承揽全球近2/3的卫星发射业务。

3、利用天梯建造太空城。在地球的同步轨道上利用天梯建造太空城，由于天梯是利用 风能来把货物源源不断地送往太空，所以其运费极低，每1000克不足1美元，人们可从 地球运输大批物质来建造太空航天站及太空城，用来开发太空旅游，发展太空农业及工业。

4、利用天梯登月。当太空航天站建成后，航天飞机可由太空航天站起飞，从而节省大 量能源消耗，使航天飞机有足够的燃料自由往返月球与航天站之间。

5、利用天梯改善地球生态环境，扼制全球变暖。天梯可把大量工业污染气体源源不断 送入太空，扼制地球变暖，改善空气质量。

6、利用人造天梯，完成人造月亮。天梯建成后，可用地球丰富的资源建成上百个直径 在一千米左右的太空反射镜，从而实现太空照明，也可空中调水，绿化万里沙漠，控制局 部气候，减少早涝灾害，实现风调雨顺。