[论文解读] Optimal Electrostatic Space Tower (Mast, New Space Elevator)

Alexander Bolonkin|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2007

Electromagnetic Launch and Propulsion Technology参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出一种新型静电太空塔——称为AB太空塔——利用电子气产生内部压力，实现无需火箭或大质量配重的稳定、超高空结构，最高可达120,000公里。该塔利用静电排斥力维持结构完整性，并支持高速爬升器，是一种潜在成本更低、可扩展性更强的替代方案，相较于传统太空电梯具备更高的控制性与稳定性。

ABSTRACT

Author offers and researched the new and revolutionary inflatable electrostatic AB space towers (mast, new space elevator) up to one hundred twenty thousands kilometers (or more) in height. The main innovation is filling the tower by electron gas, which can create pressure up one atmosphere, has negligible small weight and surprising properties. The suggested mast has following advantages in comparison with conventional space elevator: 1. Electrostatic AB tower may be built from Earth surface without the employment of any rockets. That decreases the cost of electrostatic mast by thousands of times. 2. One can have any height and has a big control load capacity. 3. Electrostatic tower can have the height of a geosynchronous orbit (36,000 km) WITHOUT the additional top cable as the space elevator (up 120,000 - 160,000 km) and counterweight (equalizer) of hundreds of tons. 4. The offered mast has less total mass than conventional space elevator. 5. The offered tower can have the high-speed electrostatic climbers moved by high-voltage electricity from Earth's surface. 6. The electrostatic mast can bend in any needed direction when we give the necessary electric voltage in the required parts of the extended mast. 7. Control mast has stability for any altitude. Three projects 100 km, 36,000km (GEO), 120,000 km are computed and presented.

研究动机与目标

• 开发一种新型太空电梯概念，消除对运载火箭和大质量配重的需求。
• 通过使用静电力而非抗拉材料，解决传统太空电梯成本高昂和工程挑战大的问题。
• 实现超高空太空接入（最高至地球同步轨道甚至更远），并采用单一、可控且稳定的结构。
• 探索利用电子气作为结构介质的可行性，其质量接近零且具备高压潜力。
• 证明此类塔可支持高速爬升器，并可通过电压控制实现动态转向。

提出的方法

• 该塔被设计为一个充气的中空圆柱体，内部充满高密度电子气，从而产生内部静电压力。
• 电子气中电子之间的静电排斥力提供结构支撑，取代机械抗拉强度。
• 通过沿塔身保持受控的电压梯度来稳定塔的高度，实现自支撑，无需在地球表面之外的外部锚定。
• 对特定区段施加电压，可实现实时动态弯曲和重新配置塔体。
• 通过依赖电子气压力而非物理材料强度，使结构质量最小化。
• 使用静电平衡和压力-体积关系，计算了三种设计案例——100公里、36,000公里（GEO）和120,000公里。

实验结果

研究问题

• RQ1 无配重或空间质量的静电支撑塔能否达到地球同步轨道高度？
• RQ2 仅依靠电子气压力维持的太空塔最大可行高度是多少？
• RQ3 与相同高度和载荷能力的传统太空电梯相比，静电塔的质量如何？
• RQ4 能否通过局部施加电压实现塔体的主动转向与稳定？
• RQ5 此类结构理论上可承受的载荷和爬升器速度分别是多少？

主要发现

• 静电AB塔可在无配重或顶部缆绳的情况下达到地球同步轨道（36,000公里），无需额外增加数百吨质量。
• 该塔可利用仅电子气压力延伸至120,000公里高度，完全不依赖机械抗拉强度。
• 由于电子气质量可忽略不计，静电塔的总质量显著低于传统太空电梯。
• 可通过从地球表面施加高压电能，高效推动高速爬升器沿塔体运行，实现有效载荷运输。
• 通过向特定区段施加电压，可动态弯曲和重新定向结构，实现主动控制与精确瞄准。
• 已使用静电平衡和压力-体积模型计算并验证了三种设计案例——100公里、36,000公里和120,000公里。