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太空电梯中的激光应用王锋(中国人民解放军驻一三三厂军事代表室, 长春 130033)摘要:本文对美国航空航天局( 太空电梯中的激光应用 王 锋 (中国人民解放军驻一三三厂军事代表室, 长春 130033) 摘要:本文对美国航空航天局( N ASA) 的太空电梯项目及 “太空电梯 2010”竞赛进行了介绍。重点论述了高 功率固体激光器系统作为地面支持能源在太空电梯中的应用。 后, 用一个由激光提供能量的爬升器在缆绳上上下 前言 1 移动, 运送飞船、建筑材料甚至乘客到太空平台上。 “太空电梯”的概念由来已久, 其本质是建设一 条永久性的“缆绳”类建筑, 将地面与地球轨道上的某 一点连接起来, 并允许人员、物资、运输工具沿着这条 “缆绳”行驶。虽然“太空电梯”听起来近似于科学幻 想, 但实际上现在已经具备了成为现实的物质基础。 本文主要介绍了激光技术在太空电梯中的应用。 2 太空电梯项目介绍 1895 年, 俄国的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基首 次 提 出 了 太 空 电 梯 的 构 想 。 英 国 科 幻 小 说 作 家 阿 瑟- 克拉克在其 1979 年的小说 《天堂的喷泉》中也提 到了这一概念。虽然太空电梯的概念起源于科学幻 想, 但随着科技的发展, 科学幻想现在已经具备了 转化为现实的物质基础。 从理论上讲, 太空电梯并不神奇。按照太空电 梯项目的负责人 Brad Edwards 博士的设想, 首先要 在地球赤道的太平洋洋面上建造一座平台, 用航天 器将一条特殊材料制成的长达 10 万公里的缆绳释放 下来并把它锚定在平台上。缆绳的另一端连接在太 空平台上, 延着同步卫星的轨道随着地球一起旋转, 由于旋转所产生的离心力刚好抵消了地球的吸引力, 图 1 太空电梯的设想图 对于太空电梯的建造过程, Brad Edwards 博士 介绍说, 第 1 步, 把一个携带空间电梯半成品的飞 船或航天飞机发射到和地球同步的静止卫星所在的 轨道上, 使其和地球同步飞行; 第 2 步, 把这个半 成品的太空电梯从飞船上释放下来, 落到位于赤道 附近的海面平台上, 这个平台类似一般的海上发射 卫星或飞船的平台; 第 3 步, 把半成品的太空电梯 锚定在平台上, 令飞船就漂浮在上面; 第 4 步, 用 一个由激光束提供能量的爬升器在这个空间电梯的 半成品上上下移动, 并把更多碳纳米合成纤维缆绳 主振荡光束进入光束通道建造空间电梯最大的挑战是找到制造这根缆绳的材料。它必须异常强韧又要异常轻巧, 还要能抵 抗 任 何 腐 蚀 。 从 现 主振荡光束进入 光束通道 建造空间电梯最大的挑战是找到制造这根缆绳 的材料。它必须异常强韧又要异常轻巧, 还要能抵 抗 任 何 腐 蚀 。 从 现 有 的 技 术 水 平 看 , 碳 纳 米 管 ( Carbon Nanotube) 是制造为这根缆绳的理想材料。碳纳 米管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状 “纤维”, 直径只有几到几十纳米, 内部是空的。这 激光盘片 半导体泵浦激光排布 微通道热沉 激光盘片 半导体泵浦 激光排布 样的材料很轻, 但很结实。它的密度是钢的 1/6, 强度却是钢的 100 倍。 而 刚性底板 出射的放大光束 图 3 太空电梯上提供能量束的半导体激光泵浦盘片式固 体激光器 图 2 空间电梯上的爬升器 图 4 激光器的局部照片, 光模块。 周边为作为泵浦源的半导体激 3 太空电梯中的激光应用 按照 Brad Edwards 博士的设想, 太空电梯上的 爬升器将使用半导体激光泵浦的盘片式固体激光器 作为地面支持能源, 现在这种激光器的功率已经达 到数千瓦, 将来需要达到 MW 量级。在爬升器的底 部装有 Si 和 GaAs 光伏电池板, 激光经过扩束后照 射在光伏电池上, 转化为电能为爬升器提供持续不 断的动力。 2004 年, 美国航空航天局( NASA) 批准开始实 施“太空电梯”的研究计划, 为了促进相关技术的提 高, 由“面向太空基金会”( Spaceward Foundation) 组织 了名为“太空电梯 2010”( Space Elevator 2010) 的竞赛 。竞赛内容主要包括以下 2 个方面: 一是连接同步 卫 星 和 地 面 之 间 的 缆 绳 的 强 韧 性 和 轻 巧 性 的 比 赛 ( Tether Strength Competition) ; 二是以能量束( 激光、 图 5 爬升器下部的光伏电池 微 波 或 白 光 等 ) 作 为 能 源 的 攀 爬 竞 赛 ( Climber or Power Beaming Competition) 。到目