太空天梯网的稳定性分析与应用构想

太空天梯技术是实现低成本、高效、安全航天运输的一种重要途径.传统的地球天梯和月球天梯对材料强度的要求远超现有技术水平,工程实现难度很大.而土星卫星普遍质量较小,建设土星卫星太空天梯可以有效克服现有材料技术瓶颈并极大促进土星系探索和开发利用.首先,以土卫二为例,建立了“刚性杆-珠点”天梯模型,推导出拉格朗日动力学方程.在此基础上,完成了系统的稳定性分析,利用线性稳定性理论以及拉格朗日定理分析了不同建模精度以及空间站质量下系统的稳定条件,并将计算结果推广至土星系其他卫星.之后,提出了土星系太空天梯网构想,并初步设计了能够实现在任意两颗卫星之间无工质转移的天梯网构型.最后分析了天梯网的效能和建设可行性.计算结果表明,设计的天梯网中所有天梯均能够在平衡位置保持稳定,且部分天梯能够采用现有复合材料完成建造.相比传统轨道机动方法可节省数千米每秒的速度增量,具有巨大的潜在应用价值.提出的方法和得到的结论可以为天梯网的进一步设计提供支撑.