《流浪地球2》中航天技術的虛與實

文/張晨

春節(jié)期間，科幻電影《流浪地球2》在全國各大影院上映，為觀眾呈現(xiàn)了一場科技感十足的視覺盛宴，也收獲了上佳的票房成績。影片內(nèi)容涉及相當多的航天技術和概念，其中一些是已經(jīng)實現(xiàn)了的，還有一些是未來可能實現(xiàn)的，可謂有虛有實。

太空電梯

《流浪地球2》是首部完整而詳細展示“太空電梯”這個概念的中國電影。在電影中，聯(lián)合政府在非洲加蓬共和國的大西洋海岸上建造了“移山計劃”一號行星發(fā)動機試驗機和一座高達9萬千米的太空電梯，借助太空電梯強大的運力以快速建造方舟號國際空間站。

這座太空電梯的核心是位于靜止軌道上的太空電梯船塢，方舟號國際空間站就在這里組裝。同時電梯還包括位于9萬千米高度的配重和海面上直徑3千米的基座。9座轎廂由216根碳納米管纜繩牽引，以快速往來于地面和空間站之間。這是人類歷史上最高的建筑，是新時代的“巴別塔”。

說到太空電梯，一些人會想到古巴比倫的“巴別塔”，也有人會想到現(xiàn)在位于阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜市的哈里發(fā)塔。實際上太空電梯最早的提出者是人類航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯基，他在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時想到了這一點。但這些建筑實在是太矮了。目前地球上最高的建筑哈里發(fā)塔，也只有區(qū)區(qū)828米?！读骼说厍?》中的太空電梯的高度是它的10萬倍。如果我們?nèi)匀幌窠ㄔ煲粭潣且粯訌牡孛嫱吓?，則這棟樓很快就會被自重壓垮。那怎么辦呢？

實際上太空電梯并不是一棟樓，而是一顆尺寸達到9萬千米的衛(wèi)星，確保太空電梯的重心位于靜止軌道上。既然無法直接從地面向上建設，那么能否從靜止軌道開始建造，保證重心持續(xù)位于靜止軌道上呢？

由于重力的遞減速度遠快于離心力增加的速度，那么在太空電梯9萬千米的遠端，必定會受到巨大的離心力。如果使用鋼材來建造太空電梯的話，在其遠端對材料的抗拉強度需求將達到恐怖的400吉帕，但是鋼只有400兆帕，差了3個數(shù)量級！

那么就沒辦法了嗎？太空電梯末端的離心力取決于本身的質(zhì)量，如果降低材料的質(zhì)量，提升抗拉強度（提升比強度），那么就可以實現(xiàn)了。

說得簡單，目前人類發(fā)現(xiàn)的材料中能滿足如此恐怖需求的只有一種叫做碳納米管的材料。如果使用碳納米管建造太空電梯的話，需要的抗拉強度“只有”80吉帕，而人類目前在實驗室中合成的碳納米管抗拉強度已經(jīng)達到了200吉帕，看上去曙光即將到來……

但那可是9萬千米的碳納米管纜繩啊，是中國目前現(xiàn)有運營高速鐵路總里程（截止至2022年底為4.2萬千米）的2倍。但是在現(xiàn)實中，最初生產(chǎn)出來的碳納米管都只有幾個微米的長度，并且充滿了結構缺陷——理想狀態(tài)下碳納米管是完全由單層的碳原子卷曲形成的，而結構缺陷會極大的降低碳納米管的性能。

不過在2013年的時候，清華大學生產(chǎn)出了半米長、結構完美的碳納米管材料，目前他們正在突破千米量級，預計達到9萬千米應該只是時間問題。

太空電梯建設的初衷是為了擺脫對化學火箭的依賴，快速而低成本地從地表出發(fā)抵達太空?！读骼说厍?》中的太空電梯雖然沒有披露上下行時間，但其乘坐時超過9個g的加速度仍然是令人疑惑的。在同為劉慈欣創(chuàng)作的的著名科幻小說《三體3·死神永生》中的太空電梯需要20多個小時抵達靜止軌道站。它的加速就很平穩(wěn)。同樣的，如果仔細觀察《流浪地球2》中的太空電梯的話，它四角的8臺發(fā)動機無疑是最醒目的。但是，如果都能建造一座巨大的太空電梯了，為什么還要使用化學動力呢？

▲ 《流浪地球2》方舟號國際空間站

實際上這座太空電梯是一座軍用電梯，并不考慮舒適度，而是要盡量壓縮太空旅行的時間，以加快建造方舟號國際空間站的進程。因此恐怖的加速度只是它的一部分。

這座電梯使用了三階段加速。首先通過電磁彈射將轎廂發(fā)射出去，同時8臺組合動力發(fā)動機同時點火，以巨大的加速度將電梯加到極高的速度使得其沖出大氣層。在大氣層之外，從靜止軌道空間站船塢上垂下來的電磁牽引裝置會抓住轎廂并且繼續(xù)進行提升。太空電梯轎廂頂部還設計有4座反推發(fā)動機。如此復雜的設計正是為了滿足高速往返的需要，乘坐這座太空電梯需要的體質(zhì)甚至遠超現(xiàn)有航天員，因為目前過載最大的我國載人運載火箭長征二號F/G也只有5.4個g的最大過載，未經(jīng)過訓練的普通人乘坐該電梯會被巨大的過載壓在座椅上，然后暈厥。這也是要穿抗荷服的原因所在。

以我們現(xiàn)有的技術，能否制造這座超級建筑呢？答案是否定的。

實際上，人類目前完全無法建設這樣一座太空電梯。如果我們真的到了可以生產(chǎn)出9萬千米的碳納米管纜繩的時候，或許已經(jīng)不需要太空電梯了。拋開前面提到的問題，還有一系列新的問題。首先，來自近地軌道空間彌散的原子氧，會對太空電梯的纜繩造成極大的損壞。我們現(xiàn)在可以看到一些運行了很久的航天器表面老化，就是來自于原子氧的腐蝕，而太空電梯使用的碳納米管更加脆弱。在國際空間站進行的站外實驗中，僅僅2年內(nèi)暴露試驗中的碳納米管就被打得支離破碎，而太空電梯的纜繩一旦斷裂，斷裂點上半部分的結構就會永遠的飄離地球。

這還不是最大的問題，實際上太空電梯最大的問題來自于對于一個長達9萬千米的半剛性物體的控制。當轎廂高速運行在電梯上時，其產(chǎn)生的科里奧利力完全施加在太空電梯上，給予其一個剪切力。這種力會使得碳納米管彎曲形成一種類似懸鏈線的結構，然后就把整座電梯拉下來了。無論是光壓還是太陽風都會強烈影響電梯的姿態(tài)，同時轎廂上下移動會少量改變電梯的質(zhì)心分布，放大到整個尺度來看將是致命的。無論是移動頂部配重還是安排單獨的移動配重都會進一步增加系統(tǒng)的復雜度，況且這些移動帶來的振蕩會使得整座電梯變成巨大的扭動的一條蛇，為了補償這些振蕩需要安裝大量的推力器組。為太空電梯寫控制率的人，或許要得個數(shù)學領域最高獎“菲爾茲獎”才能補償。

在建造太空電梯的時候，第一根纜繩的布設就是一個難到幾乎無法實現(xiàn)的工程。拖著一根繩子從靜止軌道垂直往下飛到地面，同時要將另一根繩子垂直向上布設，這一點對于目前的人類航天技術來說還是太超前了。

總而言之，雖然太空電梯是人類歷史上最高的宏偉建筑，但目前是完全無法實現(xiàn)的。而當人類的技術真的達到了足夠的高度以建造它的時候，人類應該已經(jīng)不需要它了。

▲ 日冕物質(zhì)拋射圖

太陽風暴

《流浪地球2》中有這樣一幕場景：在準備進行月球發(fā)動機點火試驗的時候，一場強烈的Z9級太陽風暴來襲，而人類的所有太陽風暴預警系統(tǒng)都沒有作出反應。強烈的高能太陽質(zhì)子風暴席卷月面，摧毀了原計劃用于進行發(fā)動機點火控制的550C智能量子計算機。

太陽并不是平靜的等離子體團，其內(nèi)部充滿了強烈的等離子體風暴，包括太陽黑子和日珥這些相對平淡的太陽活動，和一系列強烈的太陽活動。其中能影響到地球的太陽風暴包括耀斑、日冕物質(zhì)拋射、地磁暴和太陽質(zhì)子事件，日冕物質(zhì)拋射和太陽質(zhì)子事件中的太陽風粒子速度可達到750千米/秒，能量則覆蓋10兆電子伏到數(shù)十吉電子伏。

我們在地面上很難感受到來自太陽的影響，是因為地球磁場和大氣層攔住了它們。地球的磁層形成一個巨大的離子鞘，將大部分來自太陽的射線阻攔在外。但它并不是無所不能的。

1989年3月的特大太陽質(zhì)子事件是人類航天史上最強烈的太陽活動，而在此之前的1859年太陽風暴使得強烈的高能粒子猛烈轟擊地球磁層，極光蔓延到了赤道附近。如果一次極其強烈的日冕物質(zhì)拋射擊中地球的話，所有的電子設備都會被高能帶電粒子毀滅，某種意義上人類將退化到蒸汽時代。

對于月球，其并不位于地球磁層的保護內(nèi)，太陽風暴的高能粒子會不受阻礙地直接沖擊月球表面，因此月球基地需要極厚的防護層以屏蔽太陽粒子和銀河高能射線。如果全部使用金屬屏蔽（比如鉛版）的話會導致基地結構很重，目前常?？紤]的設計是將基地埋入地下，利用巖層作為輻射屏蔽，或者直接在地下熔巖管道中建設基地。

▲ “夸父一號”先進天基太陽天文臺衛(wèi)星

▲ 曦和太陽探測衛(wèi)星

▲ 未來的月球基地概念圖

太陽風暴雖然強烈，但并不是無法預測。目前人類已經(jīng)建立了足夠完備的太陽風暴預警設施——包括接近太陽的帕克太陽探測器和太陽軌道器；地球軌道附近的日地關系天文臺；日地L1點上的太陽和日光層天文臺、先進綜合探測器、WIND衛(wèi)星和深空氣象天文臺；地球靜止軌道上一系列以地球靜止環(huán)境業(yè)務衛(wèi)星的太陽觀測載荷為主的靜止軌道太陽監(jiān)視系統(tǒng)，還有位于太陽同步軌道上可以持續(xù)觀測太陽的中國“羲和號”和“夸父號”太陽探測器。

這些設備可從全方位探測太陽表面的情況，在太陽表面有活動跡象的時候提供預警，并且在速度較低的粒子抵達探測器的時候發(fā)出警報。我國計劃在日地L5（位于地球公轉(zhuǎn)軌道上且落后于地球60°）的位置發(fā)射探測器，由于太陽表面自轉(zhuǎn)的速度比地球公轉(zhuǎn)的角速度要快，在這個位置的探測器將提前“看到”幾天后將對準地球的區(qū)域，通過觀測該區(qū)域以提前在太陽風暴將發(fā)生的時候感知并且發(fā)出預警。

▲ 中國巡天望遠鏡示意圖

巡天望遠鏡

影片中逐月計劃失敗后，月球?qū)⒃谔?天內(nèi)墜落至地球。當時聯(lián)合政府的控制站使用巡天望遠鏡，也就是中國的空間站望遠鏡（CSST）觀察月球。

中國空間站望遠鏡是我國首個大型空間科學裝置，計劃于2024年由長征五號B火箭發(fā)射升空。中國空間站望遠鏡發(fā)射質(zhì)量達15500千克，最大包絡4.2米，采用一臺2米口徑離軸光學系統(tǒng)，使用控制力矩陀螺穩(wěn)定平臺。雖然該項目常常被稱為“中國哈勃”，但實際上中國空間站望遠鏡和哈勃空間望遠鏡并非同類，而是和“歐幾里得”望遠鏡，“南?！じ窭俳z·羅曼”望遠鏡一樣屬于巡天望遠鏡。這一系列望遠鏡并不追求高焦距以獲得較為精細的角分辨率，而是通過大視場以快速掃視天區(qū)，及時獲取天象活動的信息。如果時間允許，再調(diào)用角分辨率高但視場小的望遠鏡進行精細觀測。

中國空間站望遠鏡配置有5臺儀器：多色成像和無縫光譜巡天模塊、多通道成像儀、積分視場光譜儀、系外行星成像星冕儀、高靈敏度太赫茲模塊。

逐月計劃失敗的時候為什么中國空間站望遠鏡仍然在使用？其實這很正常?？臻g望遠鏡是非常昂貴且復雜的系統(tǒng)，并不會在達到預定壽命后就放棄，而是會持續(xù)使用。

中國空間站望遠鏡可以與中國空間站交會對接以補加燃料，理論上具備更換后端儀器和轉(zhuǎn)折鏡的能力，其成像儀器的性能可以在發(fā)射后通過在軌服務的模式得到較大提升。因此與無論是哈勃空間望遠鏡還是遠在日地L2的詹姆斯·韋伯望遠鏡，或未來的南?！じ窭俳z·羅曼望遠鏡比，其可維護性都更高。

科幻電影的效果在某種程度上反映了一個國家的工業(yè)技術水平和思想觀念，而解讀一部好的科幻電影則可以使得我們進行更加深入的思考。劉慈欣的科幻作品更像是對現(xiàn)實在未來的一種隱喻，而《流浪地球2》中無論是愛、希望還是責任，都代表了我們在災難當下的觀念。危難當頭，唯有責任，《流浪地球2》擔負起了中國科幻電影走向世界的重任。而未來無論是思想的升華還是技術的發(fā)展，都或多或少會來自于一些早期的想法?？苹媒o我們帶來的不只是幻想，一些想法真正地應用在了當下（如靜止軌道通信衛(wèi)星），帶動了航天技術的發(fā)展。而技術的進步又促進我們產(chǎn)生新的想法，這是一個相輔相成的過程。