朱毅麟 2007年06月11日 09:46
形“影”相吊成双塔
把塔倒过来，塔底连在静止卫星上，塔顶接近地面。让卫星带着这个倒影似的塔，每24小时绕地球转一圈。但是，新的问题又产生了。在静止卫星轨道上，物体的重力和离心力大小相等，方向相反，保持平衡。可是，位于静止轨道以下的塔身，每一点所受的重力却大于离心力。整个塔受到一个很大的向下拉的力，卫星就会掉下来。但是科学家设想，一不做，二不休，从静止卫星向上，再造一座塔。这个塔的每一点受到的离心力都比重力大，所以处处受到向上的力。当上塔的高度达到 108000公里的时候，它所受的向上的力就同下塔所受向下的力大小相等，互相平衡，卫星就不会掉下来了。同时，不管上塔还是下塔，受的力都是拉力。
这对卫星塔还有一个很有用的力学特性，就是塔的轴线能自动保持沿着重力的方向，使下塔的顶点始终落在赤道上的某一位置。如塔的轴线偏离重力方向时，作用在塔上的拉力就会把它拉回来。这种情形就像一根尺子两头用橡皮筋拉住，尺子中点固定，当尺子绕中点转动一个角度时，橡皮筋就会把尺子拉回原位。凡长条形的人造地球卫星都有这种特点。这是由于地球引力随高度增加而减小产生的作用，叫做重力梯度稳定。
沉沉二线连天地 既然把通常受压力的塔变成了受拉力的塔，也就不存在因弯曲而丧失稳定的问题，因此，只要在材料的抗拉强度允许的范围内，塔的直径可以做得尽量的小。同塔的143800公里的总长相比，卫星塔可以说细得像一根绷得紧紧的缆绳，从九天一直挂到地面。实际上，这已经不是塔，而是梯了。
现在的问题是选用什么材料来制造天梯。天梯所受的拉力就是它的自重。天梯如此之长，以致没有任何材料能承受住它的白重。材料的强度性能可以用它的“极限长度”来表示。所谓“极限长度”是指材料能不被自重拉断的最大长度。目前最好的超强度钢，极限长度为50公里。强度重量比最高的复合材料至多可做到200公里，即使对较短的下天梯来说，要求也相差很远。不过话又讲回来，上述情形是假定天梯的受力构件(缆绳)的截面是不变的。为了减轻缆绳的自重，同时为了充分发挥材料的性能，天梯的缆绳的粗细是应该随受力的大小而变化，天梯两端受力小，缆绳可以细，靠近根部与卫星连接处受力大，缆绳应该粗。其结果是缆绳各处受到的应力 (单位面积所受的拉力)同时达到材料允许的最大应力。这就是材料力学中所谓的“等应力设计”。
根据等应力设计的计算，如果采用高强度钢制造，天梯缆绳根部的截面积将达到端部截面积的e99(这是个44位数)倍，这是不可想象的。人们现在已经知道的超高强度材料“石墨晶须”，是一种内部晶格没有位错和缺陷的单晶材料。它的“极限长度”是高强度钢的几十倍。目前已在实验室试制成功。将来可在空间工厂利用失重条件大批生产。如果用石墨晶须做天梯缆绳，那么根部的截面与端部截面之比为30～100。由此可知，新型材料是关键。
