登月天梯的制作方法
【專利摘要】一種登月天梯，它包括纜繩、纜繩約束體和纜繩掛鉤，所述纜繩的近月端通過纜繩約束體固定在月球表面上，近地端延伸到距地球表面的上層空間，在其端部設(shè)有纜繩掛鉤，纜繩隨月球圍繞地球運(yùn)動，纜繩的近地端在接近地球時(shí)用1.5馬赫飛機(jī)或火箭向纜繩掛鉤上加載物體或交換物體。上述登月天梯能夠直接利用月球動能提升地球物體和月球物體進(jìn)入太空，并能實(shí)現(xiàn)地球與月球之間物體的對流輸送，替代火箭發(fā)射航天器，具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。本發(fā)明揭示了“微耗能太空運(yùn)輸原理”的三種形式，這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)在未來航天領(lǐng)域必將發(fā)揮巨大作用。
【專利說明】登月天梯

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航天【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種實(shí)現(xiàn)地球與月球之間運(yùn)輸?shù)墓ぞ摺?br>
【背景技術(shù)】
[0002] 最早提出太空天梯設(shè)想是在1895年的俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基。而在1978 年英國科幻作家阿瑟?克拉克將這種設(shè)想寫進(jìn)了科幻小說《天堂之源》中：地球不停轉(zhuǎn)動過 程中，如果將一個(gè)平衡錘用纜繩拴住拋入太空，并且纜繩足夠長，至少10萬公里長，由地球 轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力將使纜繩繃緊，這樣就可以建造一架伸向太空的天梯了。NASA資助 愛德華茲博士沿著這個(gè)思路研宄的太空天梯有以下核心部件構(gòu)成： 平衡錘：平衡錘是一個(gè)比較重的物體，放置在同步軌道上方。
[0003] 纜繩：纜繩是一條十分長且結(jié)實(shí)的繩子，上粗下細(xì)，用于連接地面與平衡錘。
[0004] 貨艙：貨艙用于裝載貨物，它可以在空間和地面之間上下移動。
[0005] 地面基站：地面基站用于將纜繩固定在地面上，并為貨艙提供能源，能量通過激光 傳送到貨艙。
[0006] 這種太空天梯的主要存在問題是向上輸送貨物需消耗大量能量，在赤道垂直運(yùn)輸 物體會產(chǎn)生科里奧利力，使纜繩彎曲，恢復(fù)垂直在高空需要有水平的噴射推力，運(yùn)送物體高 度一般小于140000千米，受風(fēng)、雨、雷電、飛機(jī)影響較大。
[0007] 1993年美國航太工程師Robert .Zubrin提出極音速天鉤。其基本思路是在地面 約100公里高空設(shè)下平衡體，在約5000公里以上高空設(shè)上平衡體，上下平衡體通過纜繩連 成直線繞地心做圓周或橢圓運(yùn)動，上平衡體在高空產(chǎn)生向上的離心力，與下平衡體重力將 纜繩拉直形成5000公里以上的"針"狀極音速天鉤。下平衡體運(yùn)動速度要達(dá)到10-15馬赫。 建造時(shí)需要先送一定質(zhì)量平衡錘到空間，其相對于靜止型天梯具有更低的建造成本。
[0008] 這種極音速天鉤存在如下問題：要有10-15馬赫的特殊太空飛機(jī)傳送貨物，極音 速天鉤在100公里接到貨物后會大幅下降高度，向上傳送貨物由于受科里奧利力作用，纜 繩由直線也會彎曲，而維持原運(yùn)動狀態(tài)需要的能源耗費(fèi)很大，這種能源要以向下噴射方式 和水平方向噴射才能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入的空間高度一般小于10000千米，并且這種飛機(jī)在空地之 間往返的難度幾乎接近于衛(wèi)星發(fā)射與回收。
[0009] 2010年報(bào)道美國邁克爾?萊恩的月球天梯，其特點(diǎn)是在月球正面某點(diǎn)固定一根 50000多千米長纜繩，另一端設(shè)太空艙指向地球，靠太空艙與地球的重力和月面纜繩拉力把 纜繩拉直，再用一種動力裝置把月面的物體送入太空艙，或把太空艙的物體送入月面。登月 時(shí)先用火箭將人送入太空艙，再實(shí)施登月艙和月面的往返。這種月球天梯存在如下問題：需 要有火箭將人或物送入高軌道太空艙，消耗的能量較大，需要有一種動力裝置把月面的物 體送入太空艙，或把太空艙的物體送入月面，返回地球時(shí)需要有返回艙系統(tǒng)才能進(jìn)入大氣 層，進(jìn)入大氣返回艙表面溫度高達(dá)1600°C以上，太空艙在高空中的勢能不僅被浪費(fèi)還存在 不安全隱患。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服已有技術(shù)之缺陷，提供一種登月天梯，它能夠 直接利用月球動能提升地球物體和月球物體進(jìn)入太空，并能實(shí)現(xiàn)地球與月球之間物體的對 流輸送，替代火箭發(fā)射航天器，并具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。
[0011] 本發(fā)明所述技術(shù)問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種登月天梯，它包括纜繩、纜繩約束體和纜繩掛鉤，所述纜繩的近月端通過纜繩約束 體固定在月球表面，近地端延伸到距地球表面的上層空間，在其端部設(shè)有纜繩掛鉤，纜繩隨 月球圍繞地球運(yùn)動，纜繩的近地端在接近地球時(shí)用運(yùn)載工具向纜繩掛鉤上加載物體或交換 物體。
[0012] 上述登月天梯在近地端至距離地球120000千米的范圍內(nèi)采用碳納米管纜繩，其 他部分纜繩采用高強(qiáng)度碳纖維材料制成或碳納米管纜繩，纜繩在中間外太空范圍內(nèi)表面涂 覆防福射涂層。
[0013] 上述登月天梯所述纜繩掛鉤處設(shè)有提升翼。
[0014] 上述登月天梯，所述運(yùn)載工具是飛機(jī)或火箭。
[0015] 上述登月天梯，所述纜繩約束體設(shè)置在月球面向地球一側(cè)的中心區(qū)域，纜繩約束 體為配重袋、固定座或拉鉤中的一種；月面上設(shè)置纜繩收放設(shè)備。
[0016] 上述登月天梯，所述纜繩的近地端距地球表面10000-15000千米處設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)站。
[0017] 上述登月天梯，纜繩上設(shè)有GPS定位裝置，接力通信裝置，檢修機(jī)器人及太陽能供 電裝置，重力過載安全保護(hù)裝置，纜繩長短和擺動，防航天器碰撞的調(diào)控裝置和太陽能纜繩 牽引裝置。
[0018] 上述登月天梯，所述纜繩上設(shè)有若干組垂直運(yùn)送裝置，每組垂直運(yùn)送裝置上安裝 一對配重平衡體，垂直運(yùn)送裝置還包括與纜繩的連接機(jī)構(gòu)、自動驅(qū)動機(jī)構(gòu)和太陽能電源蓄 能器。
[0019] 一種上述登月天梯的建造方法，用火箭將纜繩送入地球與月球之間的拉格朗日重 力等勢點(diǎn)，在拉格朗日點(diǎn)向月球、地球分別延伸纜繩，向月球端延伸直至被月球俘獲，并用 機(jī)器人將纜繩與月面上的纜繩約束體連接；建一條承載100-2000牛頓的距地球地面近地 點(diǎn)3000-10000千米高度的纜繩，用火箭不斷運(yùn)送纜繩送至拉格朗日重力等勢點(diǎn)，逐步加粗 纜繩，也可用火箭將纜繩送至3000-10000千米處用太陽能牽引裝置加粗纜繩，至該點(diǎn)處能 承載5000-100000牛頓拉力，同時(shí)在纜繩上設(shè)置垂直運(yùn)送裝置，并在每組垂直運(yùn)送裝置上 配置配重平衡體，配重平衡體與每次地月往返的物體質(zhì)量大致相等，掛鉤至120000千米的 纜繩和垂直運(yùn)送裝置采用碳納米管材料。
[0020] 本發(fā)明采用現(xiàn)有高強(qiáng)度碳纖維材料及部分特殊材料作為纜繩制成的登月天梯，配 用相對簡易運(yùn)載工具就可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有太空天梯，極音速天鉤、月球天梯的基本功能，并克服上 述太空天梯、極音速天鉤、月球天梯的不足。所述登月天梯直接利用月球動能提升地球物體 和月球物體進(jìn)入太空，實(shí)現(xiàn)地球與月球宇航員及貨艙的對流輸送，還可以替代作為發(fā)射航 天器的火箭，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、無污染的地月往返活動。
[0021] 本發(fā)明利用月球動能作動力直接向太空運(yùn)送物體，省去火箭運(yùn)輸階段，因此極大 地簡化了航天器發(fā)射的裝置及設(shè)施。上升過程重力加速度由g逐漸變小，舒適穩(wěn)定，為人類 進(jìn)行大規(guī)模太空活動如太空天文觀測、月球開發(fā)利用、地球同步軌道太空發(fā)電站建設(shè)及太 空旅游等奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)可以克服火箭發(fā)射時(shí)加速度從I. 5g-8g迅速變?yōu)镺重力 的缺點(diǎn)，對航天器裝置影響小。
[0022] 在月球的近地點(diǎn)釋放纜繩并啟動纜繩上的垂直運(yùn)送裝置，實(shí)施地、月對流輸送物 體。纜繩下端的纜繩掛鉤及掛接裝置可進(jìn)入地面10千米以下空間，控制繩索長短及擺動， 物體從地面到纜繩時(shí)采用1. 5馬赫飛機(jī)掛接到纜繩掛鉤；從纜繩回到地面時(shí)從掛接裝置進(jìn) 入飛機(jī)，也可用降落傘返回地面，安全可靠。在100千米以上的空間可以采用火箭作為運(yùn)輸 工具，用火箭可以送到3000千米以上太空，由于重力減小，纜繩能承載更多物體。釋放纜繩 可以在地面增加向纜繩對換物體的次數(shù)。在一個(gè)月球日內(nèi)把更多物體從地面送入月球和把 月球物體送入地球。在月球遠(yuǎn)地點(diǎn)收纜繩，因?yàn)樵?5000-50000千米太空引力小，收纜繩的 能耗能少，磨損小。地月輸送過程中理論上僅消耗微小的能量，用太陽能電力驅(qū)動裝置彌補(bǔ) 即可。不斷循環(huán)這個(gè)過程就能將宇航員及貨艙送入月球同時(shí)將月面物體送入地球。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明地、月物體實(shí)時(shí)對流輸送原理圖； 圖3是本發(fā)明把物體從地球送入太空的工作原理圖； 圖4是本發(fā)明纜繩近地端近似橢圓形軌跡線示意圖； 圖5是本發(fā)明垂直運(yùn)送裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6本發(fā)明實(shí)現(xiàn)地月物品對換的原理圖； 圖7全碳納米管材料的纜繩截面積與纜繩長度的關(guān)系圖； 圖8全碳納米管材料的纜繩總質(zhì)量與纜繩長度的關(guān)系圖； 圖9全碳納米管材料的纜繩截面受拉力與纜繩長度的關(guān)系圖； 圖10距近地點(diǎn)120000千米內(nèi)采用碳納米管材料，其余用碳纖維材料的纜繩截面積與 纜繩長度的關(guān)系圖； 圖11距近地點(diǎn)120000千米內(nèi)采用碳納米管材料，其余用碳纖維材料的纜繩總質(zhì)量與 纜繩長度的關(guān)系圖； 圖12距近地點(diǎn)120000千米內(nèi)采用碳納米管材料，其余用碳纖維材料的纜繩截面受拉 力與纜繩長度的關(guān)系圖。
[0024] 圖中各標(biāo)號清單為：1、纜繩，2、纜繩約束體，3、纜繩掛鉤，4、配重平衡體，5、纜繩調(diào) 控裝置，8、轉(zhuǎn)運(yùn)站，9、纜繩收放設(shè)備，10、月球，11、月球赤道，12、地球，13、地球赤道，14、拉 格朗日點(diǎn)，15、心形軌跡線，16、橢圓軌跡線，17、運(yùn)載工具，18、垂直運(yùn)送裝置。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖、實(shí)施例、纜繩計(jì)算書對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明包括纜繩1、纜繩約束體2和纜繩掛鉤3,所述纜繩1的近月端 通過纜繩約束體2固定在月球正面(面向地球的一面）的表面，纜繩長度小于月球正面與地 球赤道的最小距離。纜繩1端部設(shè)有纜繩掛鉤3,纜繩1上掛鉤3隨月球圍繞地球做心形 軌跡線運(yùn)動，纜繩1在距離地球低點(diǎn)時(shí)用運(yùn)載工具向纜繩掛鉤3上加載承載物體或向纜繩 掛鉤3交換承載物體。運(yùn)載工具可以是飛機(jī)或火箭。纜繩約束體2將纜繩1約束在月球表 面，纜繩約束體2可以為配重袋、固定座或拉鉤中的一種。配重袋法是將布袋送入月球，在 月面上填滿重物即可。拉鉤為在月面深埋鉤體用以約束纜繩。所述纜繩約束體2可以設(shè)置 在月球正面的中心區(qū)域，也可在月球正面的其他位置設(shè)置多條纜繩1和纜繩約束體2,一條 纜繩故障，其他纜繩還可正常工作，保護(hù)故障天梯。 月面上設(shè)置纜繩收放設(shè)備9,纜繩收放設(shè)備9可以為卷揚(yáng)機(jī)。通過調(diào)整月面纜繩的配 重使卷揚(yáng)機(jī)處的纜繩保持拉力約為〇,這樣整條纜繩和纜繩上掛載的物體都處于"漂浮"狀 態(tài)，纜繩收放理論上不消耗能量，纜繩收放設(shè)備9主要起鎖緊，松開纜繩及調(diào)整纜繩長短和 平衡作用。
[0027] 如圖1和圖5所示，纜繩上設(shè)有纜繩調(diào)控裝置5和若干組垂直運(yùn)送裝置18,纜繩 調(diào)控裝置5能夠?qū)|繩鎖緊、松開、驅(qū)動和制動等動作進(jìn)行自動控制。每一組垂直運(yùn)送裝置 18上安裝一對配重平衡體4,垂直運(yùn)送裝置18還包括與纜繩的連接機(jī)構(gòu)、自動驅(qū)動機(jī)構(gòu)、太 陽能電源蓄能器等裝置。
[0028] 纜繩上設(shè)有GPS定位裝置，接力通信裝置，檢修機(jī)器人及太陽能供電裝置，重力過 載安全保護(hù)裝置，纜繩擺動防航天器碰撞的調(diào)控裝置和太陽能纜繩牽引裝置。
[0029] 纜繩采用現(xiàn)有的高強(qiáng)度碳纖維材料和少部分特殊材料就可實(shí)現(xiàn)，采用更高強(qiáng)度材 料如碳納米管材料會使纜繩的承載性能大大增加，并且施工工程量大為減少。由于纜繩在 地球上空10千米以上，纜繩長短可調(diào)節(jié)，因此本發(fā)明受風(fēng)、雨、雷電、和飛機(jī)影響較小。纜繩 在外太空的強(qiáng)輻射帶涂防輻射涂層，在溫差大的月面附近處設(shè)金屬材料，在重力大的區(qū)域 如距離地球120000千米內(nèi)采用碳納米管或高強(qiáng)度材料。
[0030] 由于月球橢圓軌道偏心率變化，其底端掛鉤距地面高低位置變化較大，適當(dāng)控制 纜繩長短便于快速與地面飛機(jī)配合掛承重物。在月球遠(yuǎn)離地球時(shí)通過纜繩收放設(shè)備逐步釋 放繩索，纜繩的長度不斷增長，并維持纜繩掛鉤3距地面10千米以上高度。因延長了纜繩 在低空的時(shí)間，增加了地月物體相互對換的次數(shù)，這樣可以使更多的地月物體對流運(yùn)送。月 球遠(yuǎn)離時(shí)，掛載的物體可隨纜繩升入35000-50000千米以上的太空。而在遠(yuǎn)地點(diǎn)需要回收 繩索，由于35000-50000千米太空重力減為地面重力的1/47-1/87以下，因而此時(shí)收繩會節(jié) 省能源，減少磨損。纜繩上有過載安全裝置，低空意外過載能分?jǐn)喙收弦韵碌睦|繩。
[0031] 在月球近地點(diǎn)距地球表面10000-15000千米的上空纜繩上設(shè)轉(zhuǎn)運(yùn)站8,在距地球 表面更高的空間還可設(shè)置多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站8。轉(zhuǎn)運(yùn)站8存儲物體質(zhì)量是配重平衡體的5-10倍， 通過轉(zhuǎn)運(yùn)站8可以增加地、月物體對流的輸送量。使一個(gè)月球日內(nèi)地、月轉(zhuǎn)送的物體量大為 增加。
[0032] 如圖3所示，物體從地面進(jìn)入太空35000-50000千米再返回地面。月球繞地球一 周纜繩掛鉤3形成心形軌跡線15。這個(gè)過程消耗能量完全來自月球動能，這是"微耗能太 空運(yùn)輸原理"的第一種形式。
[0033] 如圖4所示，通過月面的纜繩收放設(shè)備9可將纜繩掛鉤3的軌跡線改變?yōu)槌叽绺?大的近似的橢圓軌跡線16,可以利用地球重力掛載出更多的月面物體進(jìn)入太空，同時(shí)大大 延長了纜繩掛鉤在近地點(diǎn)的時(shí)間，在一個(gè)月球日內(nèi)將更多的地月物體對流輸送。在接近地 面時(shí)通過纜繩收放設(shè)備9釋放6000千米纜繩，邊釋放纜繩邊掛月面物體，保持卷揚(yáng)處纜繩 的拉力約為0,當(dāng)掛鉤接近地球表面開始提升纜繩，釋放與提升纜繩的速度在0-65米/秒， 然后到月球近地點(diǎn)再次釋放6000千米纜，再鎖住纜繩，收放纜繩大約可持續(xù)7天時(shí)間，物體 隨月球提升形成一個(gè)近似橢圓軌跡。如圖6所示，還可用兩部或多部卷揚(yáng)天梯，較小的一部 用作轉(zhuǎn)運(yùn)地月貨物，并使掛鉤離地面保持在3000千米以上。較大的天梯用于收緊纜繩提升 地面貨物(地面物品A、B、C)，同時(shí)在地面交換月球送來的貨物，然后兩部天梯相互交換地月 貨物(月面物品AU Bl、C1)，較大的天梯在月面再交換并提升月面貨物，釋放纜繩掛鉤又回 到地面，重復(fù)進(jìn)行上述過程，最終實(shí)現(xiàn)地月物體對流輸送。由于始終保持卷揚(yáng)處纜繩的拉力 約為0,纜繩收放理論上不消耗能量，這是"微耗能太空運(yùn)輸原理"的第二種形式。
[0034] 如圖2所示，通過纜繩上的若干組垂直運(yùn)送裝置18可以接力輸送纜繩掛鉤處的物 體從地面最終送至月面，并將月面物體送至纜繩掛鉤，此過程理論上消耗很少的能量，僅采 用太陽能驅(qū)動裝置就可以克服摩擦損耗，滿足地月物體對流輸送要求的能耗。這是"微耗能 太空運(yùn)輸原理"的第三種形式。由于地面至3000千米空間重力變化較大，從月球返回的物 體質(zhì)量略大于從地球運(yùn)送的物體。因?yàn)樵虑蛑亓π?，提升物體相對容易，因此每次從月面多 提升一些物體用于地月物體對流輸送，這些多余的物體在地月對流輸送過程中還會釋放巨 大的天體勢能，可用于抵消地月對流輸送過程中的摩擦損耗。
[0035] 一種上述登月天梯的建造方法，用火箭將纜繩送入地球與月球之間的拉格朗日重 力等勢點(diǎn)，在拉格朗日點(diǎn)向月球、地球分別延伸纜繩，向月球端延伸直至被月球俘獲，并用 機(jī)器人將纜繩與月面上的纜繩約束體連接；建一條承載100-2000牛頓的距地球地面近地 點(diǎn)3000-10000千米高度的纜繩，用火箭不斷運(yùn)送纜繩送至拉格朗日重力等勢點(diǎn)，逐步加粗 纜繩，也可用火箭將纜繩送至3000-10000千米處用太陽能牽引裝置加粗纜繩，至該點(diǎn)處能 承載5000-100000牛頓拉力，同時(shí)在纜繩上設(shè)置垂直運(yùn)送裝置，并在每組垂直運(yùn)送裝置上 配置配重平衡體，配重平衡體與每次地月往返的物體質(zhì)量大致相等，掛鉤至120000千米的 纜繩和垂直運(yùn)送裝置采用碳納米管材料。
[0036] 綜上所述本發(fā)明揭示了三種形式的"微耗能太空運(yùn)輸原理":可以通過一種裝置利 用月球動能把地球和月球物體送入太空，地面和月面物體可以在該裝置上對流輸送，其過 程并無其他能源消耗。這個(gè)原理還可適用于條件適合的行星、衛(wèi)星和人造星體上。這項(xiàng)重 大發(fā)現(xiàn)必將在未來航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
[0037] 實(shí)施例1 如圖3所示，設(shè)置登月天梯在10千米高度時(shí)載重為300千克，月球做橢圓運(yùn)動距地球 最近時(shí)把纜繩設(shè)定在10千米高，地球自西向東自傳，赤道線速度為463. 6米/秒，月球自 西向東公轉(zhuǎn)，纜繩近地點(diǎn)會在赤道附近比較寬的和變化的區(qū)域出現(xiàn)。設(shè)纜繩掛接位置在赤 道某點(diǎn)附近，纜繩掛鉤相對于赤道地面的速度約為447. 6米/秒。用大于1. 5馬赫的飛機(jī) 承載300千克物體從東向西飛行與纜繩掛鉤掛接并保持一段距離使之平穩(wěn)后再分離，物體 重力通過纜繩直接傳到月球，纜繩掛載對換的物體后隨月球遠(yuǎn)離地球，在地面觀察是物體 被纜繩拉入越來越高的太空。物體隨月球做心形線軌跡運(yùn)動，月球公轉(zhuǎn)的半周期(約14.76 天）后物體升至約35000-50000千米以上高空，隨后繼續(xù)做另一半心形線運(yùn)動，在月球公轉(zhuǎn) 的半周期后承載物體又回到地面10千米高度，用飛機(jī)或降落傘將其接回。物體在地面至 35000-50000千米區(qū)域做心形線運(yùn)動，利用月球動能實(shí)現(xiàn)了地面與35000-50000千米太空 往返循環(huán)運(yùn)輸。
[0038] 如果上述承載物體是航天器，在航天器上僅需配用小型火箭在35000-50000千米 高空與纜繩掛鉤分?jǐn)?，啟動火箭即可完成航天器發(fā)送，也可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)母叨扰c角 度發(fā)射航天器。航天器從地面提升到太空的能量來自月球動能。
[0039] 實(shí)施例2 如圖2所示，地面和月面物體的對流往返輸送。在距10千米的高空，設(shè)纜繩進(jìn)入最低 點(diǎn)后對換纜繩掛鉤上300千克物體，掛鉤上方200千米（引力減小這個(gè)距離可以逐漸加大， 最大可到20000千米以上）有一個(gè)垂直輸運(yùn)裝置，并有一塊從月球送來的約310千克物體 (由于地面與200千米太空存在重力差，適當(dāng)增加從月球返回物體質(zhì)量，便于地月物體對流 輸送）；從月球提升物體進(jìn)入太空比從地球提升物體進(jìn)入太空容易得多，另外每次可從地面 提升部分物體進(jìn)入35000-50000千米的太空，可用較少能量將其運(yùn)送到拉格朗日點(diǎn)，這些 物體可用做提升月球物體時(shí)的配重，起動低能耗垂直輸運(yùn)裝置，當(dāng)月球物體送至纜繩最低 掛接點(diǎn)時(shí)，從地球送來的物體在纜繩上就升高了 200千米，如此不斷循環(huán)地球物體就可以 送入月面，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了月球物體輸送到地球。
[0040] 實(shí)施例3 參見圖7-圖12,在近地點(diǎn)10千米處承載1千克重的微型實(shí)驗(yàn)登月天梯，用碳納米管纜 繩總重850千克(或8噸碳纖維，260千克碳納米管)，月面端放置約36千克配重物，從拉格 朗日點(diǎn)在平衡條件下向月面和地面釋放全部纜繩，纜繩掛鉤端承掛GPS定位裝置，纜繩上 設(shè)置小型儀器，就可以試驗(yàn)天梯，做出必要數(shù)據(jù)。
[0041] 從圖8上可以看出承載1噸的天梯，全部用碳納米管材料也需850噸，因此上述登 月天梯所述掛鉤處設(shè)有提升翼，減輕1千克物體重力，天梯纜繩總質(zhì)量就會減少約一噸。
[0042] 目前由于碳納米管材料還未規(guī)模化生產(chǎn)，先制作纜繩掛鉤離地面12000千米，承 載1噸物體的天梯，材料使用為210噸碳纖維制成月面至太空220000千米纜繩，8. 2噸碳納 米管制成掛鉤至太空120000千米纜繩，在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷加粗纜繩降低掛鉤高度，增加承 載重量，低點(diǎn)掛鉤已屬于月球上的物體，從某種角度看，登上掛鉤就登上月球，而從掛鉤進(jìn) 入月球表面是零耗能的對流輸送。這種登月天梯的方法在未來航天領(lǐng)域是可行可取的。
[0043] 以下是纜繩部分參數(shù)計(jì)算書： 地面和月面近地點(diǎn)距離：L0=348248千米 地球赤道半徑R地：Rtt =6378千米 月球半徑R月=1738千米 月球纜繩距地高度：HO=IO千米 月球纜繩長L :L=L0-H0=348238千米 碳納米管抗拉強(qiáng)度：P :=5+101°牛頓/平方米 碳納米管密度：(^=1700千克/立方米 碳纖維抗拉強(qiáng)度P 2=4. 5*109牛頓/平方米 碳纖維密度：d2=1400千克/立方米 纜繩在地面上空10千米處載重：MO=IOOO千克 纜繩繞月球的旋轉(zhuǎn)周期h =29. 5天=2548800秒 纜繩繞月球旋轉(zhuǎn)的角速度=2π/2548800=2. 46*1〇-6 纜繩繞地球的旋轉(zhuǎn)周期=29. 5天=2548800秒 纜繩繞地球旋轉(zhuǎn)的角速度ω地=2 π /2548800=2. 464*1〇-6 G為萬有引力常數(shù)，G=6. 672*10_η牛頓*米2 /千克2 地球質(zhì)量M地=5. 98*1024千克 月球質(zhì)量M月=7. 35*1022千克 物體在hi點(diǎn)受地球引力，指向地球 F地弓！ =G*mi*M地八 Rtt+HO+hi)2 物體在hi點(diǎn)受月球引力，指向月球 F月引=G*mi*M月 /( R月 +L_hi)2 纜繩圍繞地球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力F地離，指向月球 F地離=ω 地 2 * (R地 +HO+ hi ) 纜繩圍繞月球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力F月離，指向地球 F月離=(0月 2* (R月 + L _ hi) 纜繩斷面受到拉力F拉 F Jif= i (F 月tF fctf 月？) h點(diǎn)纜繩最小截面積S_ S截=F拉/ P ! h點(diǎn)以下纜繩總質(zhì)量Mh Mh=Smi- ?Sm^H "n^d i=l i=l 通過以上公式、數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)編程計(jì)算給出準(zhǔn)確的纜繩截面積、質(zhì)量、截面受拉力與纜 繩長度的關(guān)系圖參見如下： 如圖7、8、9所示，分別為10千米高承載1噸物體的纜繩使用全碳納米管材料，它的截 面積與纜繩長度的關(guān)系圖；纜繩總質(zhì)量與纜繩長度的關(guān)系圖；纜繩截面受拉力與纜繩長度 的關(guān)系圖。
[0044] 如圖10、11、12所示，分別為10千米高承載1噸物體的纜繩在距近地點(diǎn)0-120000 千米采用碳納米管材料，其余使用碳纖維材料，纜繩截面積與纜繩長度的關(guān)系圖；纜繩總質(zhì) 量與纜繩長度的關(guān)系圖；纜繩截面受拉力與纜繩長度的關(guān)系圖。
【權(quán)利要求】
1. 一種登月天梯，其特征在于，它包括纜繩（1 )、纜繩約束體（2)和纜繩掛鉤（3)，所述 纜繩（1)的近月端通過纜繩約束體（2)固定在月球表面，近地端延伸到距地球表面的上層 空間，在其端部設(shè)有纜繩掛鉤（3 )，纜繩（1)隨月球圍繞地球運(yùn)動，纜繩（1)的近地端在接近 地球時(shí)用運(yùn)載工具向纜繩掛鉤（3)上加載物體或交換物體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的登月天梯，其特征在于，所述纜繩（1)在近地端至距離地球 120000千米的范圍內(nèi)采用碳納米管纜繩，其他部分纜繩采用高強(qiáng)度碳纖維材料制成或碳納 米管纜繩；纜繩在外太空范圍內(nèi)表面涂覆防輻射涂層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的登月天梯，其特征在于，所述纜繩掛鉤（3)處設(shè)有提升翼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的登月天梯，其特征在于，所運(yùn)載工具是飛機(jī)或火箭。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的登月天梯，其特征在于，所述纜繩約束體（2)設(shè)置在月球面向 地球一側(cè)的中心區(qū)域，纜繩約束體（2)為配重袋、固定座或拉鉤中的一種；月面上設(shè)置纜繩 收放設(shè)備（9)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的登月天梯，其特征在于，所述纜繩的近地端距地球表面 10000-15000千米處設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)站（8)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的登月天梯，其特征在于，纜繩上設(shè)有GPS定位裝置，接力通信 裝置，檢修機(jī)器人及太陽能供電裝置，重力過載安全保護(hù)裝置，纜繩擺動防航天器碰撞的調(diào) 控裝置和太陽能纜繩牽引裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的登月天梯，其特征在于，所述纜繩上設(shè)有若干組垂直運(yùn)送裝 置（18)，每組垂直運(yùn)送裝置（18)上安裝一對配重平衡體（4)，垂直運(yùn)送裝置還包括與纜繩 的連接機(jī)構(gòu)、自動驅(qū)動機(jī)構(gòu)和太陽能電源蓄能器。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述登月天梯的建造方法，其特征在于，用火箭將纜繩（1)送入 地球與月球之間的拉格朗日重力等勢點(diǎn)，在拉格朗日點(diǎn)向月球、地球分別延伸纜繩，向月球 端延伸直至被月球俘獲，并用機(jī)器人將纜繩與月面上的纜繩約束體（2)連接；建一條承載 100-2000牛頓的距地球地面3000-10000千米高度的纜繩，用火箭不斷運(yùn)送纜繩送至拉格 朗日重力等勢點(diǎn)，逐步加粗纜繩，也可用火箭將纜繩送至3000-10000千米處用太陽能牽引 裝置加粗纜繩，至該點(diǎn)處能承載5000-100000牛頓拉力，同時(shí)在纜繩上設(shè)置垂直運(yùn)送裝置， 并在每組垂直運(yùn)送裝置上配置配重平衡體（4)，配重平衡體（4)與每次地月往返的物體質(zhì) 量大致相等，掛鉤至120000千米的纜繩和垂直運(yùn)送裝置采用碳納米管材料。
【文檔編號】B64G99/00GK104477421SQ201410786415
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】董學(xué)飛 申請人:董學(xué)飛