www.vns0267.com:太空电梯将成真!肌腱和脊椎生物学机制让设计更合理

字体大小: 李万强 发表于 2018-06-11 09:29  评论0条  阅读1415次 

   长期以来,太空电梯是脱离现实生活,出现在科幻小说中的主题内容之一,同时,这也是美国宇航局和其他机构进行可行性研究的课题。目前工程师达到的共识是,太空电梯是一个非常好的构想,但是建造过程中涉及到承受巨大的应力和压力,现有材料无法符合其要求。

 
  然而,美国约翰·霍普金斯大学的一位数学家和一位机械工程师提出,只要电梯制造商采用更多的生物学技术,调整风险评估,并建造一些自动维修机器人,不久将来建造一部太空电梯是完全可能的。
 
  在一篇研究报告中,作者丹·普佩斯库(Dan Popescu)和肖恩·孙(Sean Sun)模拟了太空电梯设计,他们是基于生物结构(例如:韧带和肌腱)发现最大应力与最大拉伸强度的比率计算得出的。这比工程中使用的应力-强度比率高许多,该材料吸收作用力的能力至少是破坏作用力的两倍。
 
  研究人员指出,像这样的应力-强度比率对于正常的土木工程项目而言是可以接受的,但对于大型建筑来讲,这个比例太过严格,无法控制失效概率。值得注意的是,太空电梯非常大,可能是人类建造的最大建筑结构。
 
  建造太空电梯能让人类和太空物资运送至地球大气层之外,在一些太空电梯设计中,并未提及必须使用火箭。最早的太空电梯构想是1895年俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出的。
 
  从1895年开始,科学家们便开始不断地提炼更新太空电梯设计,但是电梯的基本设计并未出现变化。太空电梯包含一根固体在地球上的缆绳,通常电梯向上延伸至地球静止轨道——距离地面大约35786公里。
 
  在缆绳的顶部末端是一个平衡物,重力和向外方向的离心力使缆绳处于紧绷状态,沿着缆绳放置一个货舱,可沿着缆绳上下移动。这个太空电梯存在的主要问题是——对超长缆绳施加压力如此大,以至于当前没有任何事物足以承受它。
 
  在过去几十年里,已有一些大型设计比赛和提议方案用于解决这个问题,但迄今为止,没有一个方案是成功的。最近提出的解决方案是2014年谷歌公司开展的“Google X”项目,但当时没有人能够制造超过1米长的超强度碳纳米管缆绳,太空电梯建造的方案被搁置了。
 
  据了解,碳纳米管是太空电梯工程师的巨大希望,但是这种希望可能会破灭。2006年一项研究模型预测称,在大约10万米长的纳米管缆绳中必然存在一定的缺陷,从而使缆绳整体强度降低70%。
 
  普佩斯库在研究报告中提出了一种不同的解决方法,虽然碳纳米管从理论上是太空电梯缆绳的最佳选择,但是当前技术无法制造超过几厘米长度的碳纳米管,因此用碳纳米管制造太空电梯是不太可能的。然而,他提出采用一些复合材料——碳纳米管与其它材料结合在一起,虽然强度比纯碳纳米管弱一些,但是我们正在采用自行修复机制增强材料强度,确保超级建筑的稳定性。
 
  这种自修复机制是至关重要的,研究人员提出一种缆绳设计,将它的方向一分为二,向上,进入一系列“堆栈段(stacked segments)”;侧向,进入一系列“平行缆绳细丝(parallel filaments)”。当任何缆绳细丝出现故障,事实上这种情况会经常发生,其影响力仅限于其自身的堆栈段,负载重量立即分担至平行缆绳,直到修理机器人到达进行替换为止。
 
  研究人员指出,拥有这种“自动修复机制(autonomous repair mechanism)”,太空电梯能够在高应力水平下确保可靠性,同时,也可采用强度稍低的材料制造,使实际可行性更加接近。
 
  普佩斯库指出,所有这些太空电梯模型的基础是逐渐降低的应力比,工程设计标准与生物学原理相结合。他强调称,人体跟腱和脊柱可以承受巨大应力,非常接近于它们的抗拉强度,这要比工程师设计的钢铁所承受应力强度更大。
 
  其主要原因在于,至少在某种程度上,肌腱和脊椎拥有自我修复能力,这是钢铁材质所缺少的。研究人员认为,将肌腱和脊椎的生物学机制添加到太空电梯设计中,意味着我们无需等待未来派新型材料。
 
  普佩斯库说:“我们认为像太空电梯这样的超级大型建筑结构设计,要充分考虑到组件可能出现故障,还需要一套自我修复机制用于替换受损组件。这样才能保证太空电梯在高负载下运行,而不会损坏其完整性。这意味着我们使用现有材料建造超级建筑结构是可能实现的!”
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