太空電梯節(jié)省多少成本？至少90%

梁瀚

電影《流浪地球2》中，高聳入云、連接天地的太空電梯運(yùn)行場(chǎng)景令人震撼：貨艙如梭般扶搖直上，將人員和貨物源源不斷地運(yùn)往空間站，車水馬龍、好不熱鬧，如同一座“天梯”架起了一條溝通地球與宇宙的交通線。它將人類的文明與智慧運(yùn)輸?shù)綇V袤遼闊的太空，將人類的理想與希望播撒到浩瀚無(wú)垠的宇宙。

在電影的背景設(shè)定中，人類之所以能探索宇宙，得益于人類在交通運(yùn)輸領(lǐng)域取得的巨大突破——太空軌道電梯的理論完善與實(shí)際應(yīng)用，使得人類向太空的運(yùn)輸人員和貨物的交通運(yùn)輸成本大幅降低，才使得人類有可能短時(shí)間內(nèi)建立龐大的“方舟號(hào)”空間站，拉開(kāi)了“流浪地球”的序幕。

究竟什么是太空軌道電梯？太空軌道電梯的工作原理是什么？它是如何溝通天與地，又是如何降低交通運(yùn)輸成本呢？

什么是太空軌道電梯

太空軌道電梯（Space?orbit?elevator），又稱太空電梯，是一種低成本地將有效載荷從地球或其他星球的表面運(yùn)輸?shù)接钪婵臻g的解決方案。太空軌道電梯也是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，它涉及到交通運(yùn)輸、交通工程、交通設(shè)備與控制工程、軌道交通電氣與控制等多個(gè)交通專業(yè)領(lǐng)域。

太空電梯理論的創(chuàng)始人由素有“俄羅斯航天之父”?美譽(yù)的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基于1895年提出。在他的構(gòu)想中若人類想探索宇宙，則需要大量的交通往來(lái)以及更加低廉的運(yùn)輸成本，而傳統(tǒng)的噴氣式火箭根據(jù)齊奧爾科夫斯基火箭方程（Tsiolkovsky?rocket?equation）（又稱理想火箭方程）的計(jì)算，化學(xué)火箭燃料質(zhì)量占總飛行器總質(zhì)量的比例越大飛行器才能飛得越遠(yuǎn)，因?yàn)槿粝脒_(dá)到逃逸速度不僅需要克服有效載荷自身的重力還需要克服航天器和化學(xué)火箭燃料本身自重所帶來(lái)的影響，這將極大地增加交通運(yùn)輸成本。

在齊奧爾科夫斯基設(shè)計(jì)構(gòu)想中，如果在地面上建造一座上百公里高的電梯，通過(guò)電磁力驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸人員和貨物到外太空，就不需要攜帶傳統(tǒng)的既貴又重的化學(xué)火箭燃料來(lái)推動(dòng)航天器升空了，這將極大地提升有效載荷在總載荷中的占比，節(jié)約一筆為運(yùn)輸燃料本身而消耗的燃料費(fèi)，進(jìn)而大大壓縮運(yùn)輸成本。這種太空軌道電梯設(shè)計(jì)被稱為第一代太空軌道電梯。

你可以將它理解為“巴別塔”。西方傳說(shuō)中，人類為了通往天堂聯(lián)合起來(lái)修建高塔。為了阻止人類的計(jì)劃，上帝讓人類說(shuō)不同的語(yǔ)言，使人類相互之間不能溝通，計(jì)劃因此失敗，人類自此各散東西。

因?yàn)檫@種理想的設(shè)計(jì)方案終究無(wú)法執(zhí)行，即使上帝不加以阻撓，人類也無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)電梯的形式登天。因?yàn)橐艿讲牧献灾睾筒牧狭W(xué)性質(zhì)的限制，以及地基有自身的承重要求，就像我們平時(shí)吃豆腐扣碗，你用豆腐塊壘個(gè)扣碗穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)，但是要想像積木一樣把豆腐塊壘坐塔就不太現(xiàn)實(shí)了，因?yàn)樗桓呦旅娴亩垢捅簧厦娴亩垢瘔籂€了，會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性失效，進(jìn)而發(fā)生垮塌。若想制造太空軌道電梯則需要更加精妙的構(gòu)思。齊奧爾科夫斯基最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想在很長(zhǎng)一段時(shí)間都被交通運(yùn)輸學(xué)家擱置了。

第二代太空軌道電梯

隨著科技的發(fā)展，新的太空軌道電梯的設(shè)計(jì)概念應(yīng)運(yùn)而生：

人們發(fā)現(xiàn)材料的抗拉伸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它的抗壓能力，就像人很容易將一根鐵絲壓彎，但很難將其拉斷一般，如果能有一顆巨大的人造衛(wèi)星將纜繩從太空中垂下，貨艙順纜繩攀爬而上，就可以完美地將抗壓?jiǎn)栴}轉(zhuǎn)化為抗拉伸問(wèn)題，大大地減少工程難度，增加實(shí)際的可行性。

同時(shí)在行星自轉(zhuǎn)時(shí)有一個(gè)軌道被稱為同步軌道，地球的同步軌道大約距地面3.6萬(wàn)千米，在此軌道上運(yùn)行的物體，其自轉(zhuǎn)周期與所環(huán)繞物體的平均旋轉(zhuǎn)周期不僅相同，并且其運(yùn)行方向也一致。如果在此發(fā)射一顆人造衛(wèi)星，此時(shí)衛(wèi)星的飛行速度剛好能與地球自轉(zhuǎn)保持同步，處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。所以只要從此衛(wèi)星上垂下一根堅(jiān)固的纜繩直垂地表即可構(gòu)建出新型的太空軌道電梯，這種太空軌道電梯設(shè)計(jì)被稱為第二代太空軌道電梯。

第二代太空軌道電梯由四個(gè)部分組成，自上而下的結(jié)構(gòu)分別為：

1.平衡錘：起到配重的作用。在電影《流浪地球2》中“方舟號(hào)”空間站充當(dāng)著平衡錘的作用。

2.纜繩：是目前太空軌道電梯實(shí)現(xiàn)需要攻堅(jiān)的最大困難所在。因?yàn)槔|繩至少要長(zhǎng)3.6萬(wàn)千米，一根合格的太空電梯纜繩不但足夠大的強(qiáng)度，而且還需要考慮材料在極端條件下的服役性能。且要受自身重力作用的影響因此被設(shè)計(jì)得上粗下細(xì)，用于連接地面與平衡錘。

3.貨艙：用于運(yùn)輸人員和貨物，它可以順著纜繩通過(guò)電磁力在平衡錘與近地端基地之間上下移動(dòng)。在電影《流浪地球2》中為了視覺(jué)效果和藝術(shù)表達(dá)，為貨艙增加了四個(gè)使用化學(xué)燃料的火箭推進(jìn)器。

4.近地端基地：為避免受到臺(tái)風(fēng)暴雨等氣候因素的影響，理想的近地端基地會(huì)被設(shè)置在平流層，而不是我們直覺(jué)想象中的直達(dá)地面，這樣不僅能避免氣象環(huán)境所帶來(lái)的影響，還能避免因設(shè)備下墜擠壓其原有結(jié)構(gòu)發(fā)生垮塌。

值得注意的是：由于纜繩過(guò)長(zhǎng)其自身重量不可忽略，為保持平衡需要將整個(gè)系統(tǒng)總重心設(shè)置在同步軌道上，因此平衡錘應(yīng)設(shè)置在同步軌道外圍，高于一般同步軌道衛(wèi)星。

太空軌道電梯的優(yōu)勢(shì)

除了上述節(jié)省運(yùn)輸成本等優(yōu)勢(shì)，太空軌道電梯還有如下優(yōu)點(diǎn)：

太空軌道電梯的貨艙可以擺脫第一宇宙速度7.8千米/秒的束縛，實(shí)現(xiàn)低速航空，使得通往太空的人類不必需要人人具有宇航員般的超強(qiáng)身體素質(zhì)來(lái)對(duì)抗過(guò)載帶來(lái)的超負(fù)荷。

太空電梯還能被當(dāng)作一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)來(lái)使用，因?yàn)樘哲壍离娞萑缤叫l(wèi)星般隨著地球旋轉(zhuǎn)，而越高的地方速度越快，所以將航天器從地面運(yùn)送到大氣層外足夠高的地方，只要一點(diǎn)加速度就可以達(dá)到第二宇宙速度11.2?千米/秒向太陽(yáng)系內(nèi)其他星球起航了。

總而言之，太空軌道電梯如同一座跨江大橋，在大橋建立之前人們可以使用舢板或者泅渡，但是這樣高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、有條件、有限重，還需要過(guò)江人員具有高超的駕駛技術(shù)與過(guò)硬的身體素質(zhì)。而建設(shè)一座跨江大橋，雖然需要消耗大量的人力、物力，但一旦建成則是“一橋飛架南北，天塹變通途”，即使是普通人也可以扶老攜幼，順利渡江。太空軌道電梯是人類向宇宙空間實(shí)現(xiàn)低成本交通運(yùn)輸?shù)目尚蟹桨浮?/p>

太空軌道電梯到底節(jié)省了多少交通運(yùn)輸成本

目前國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射每千克荷載的運(yùn)輸成本約2.5萬(wàn)～4萬(wàn)美元之間。馬斯克的SpaceX公司所生產(chǎn)的獵鷹9近地軌道衛(wèi)星發(fā)射每千克荷載的運(yùn)輸報(bào)價(jià)5000美元左右，我國(guó)長(zhǎng)征系列衛(wèi)星發(fā)射每千克荷載的運(yùn)輸成本1萬(wàn)美元左右。而經(jīng)日本建設(shè)公司大林組預(yù)估，太空電梯建成后，每千克荷載的運(yùn)輸成本約為200美元。節(jié)省傳統(tǒng)運(yùn)輸模式99%的交通運(yùn)輸成本。

與此同時(shí)，太空軌道電梯的建立還可以使交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本，刺激交通運(yùn)輸業(yè)，反哺交通運(yùn)輸領(lǐng)域取得新的突破！

不過(guò)，若想制造出像電影《流浪地球2》中巨大的太空軌道電梯還需要人類在材料學(xué)等方向取得巨大的突破。正如前文所述，一根合格的太空電梯纜繩不但需要足夠大的強(qiáng)度，而且還需要考慮材料在極端條件下的服役性能。目前，碳納米管，一種類似于石墨烯的材料，是現(xiàn)實(shí)中最接近理想材料的材料。中國(guó)在此領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先水平，北京交通大學(xué)陳征教授正是此領(lǐng)域的專家。

除此之外，纜繩垂天而下，為與地面基站保持同步，頂端平衡錘的移動(dòng)速度將會(huì)達(dá)到一個(gè)恐怖的數(shù)字，這種速度下整個(gè)系統(tǒng)所承受的角動(dòng)量是難以忽視的，以及交通系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要各部門復(fù)雜且精巧的配合，各部門之間如何協(xié)同？如何分配責(zé)任和義務(wù)？這些都有待科學(xué)家們的下一步設(shè)計(jì)。

余秋雨在散文《西湖夢(mèng)》中提到一個(gè)故事，明代正德年間一位日本使臣游西湖后寫下一首詩(shī)：“昔年曾見(jiàn)此湖圖，不信人間有此湖。今日打從湖上過(guò)，畫工還欠費(fèi)工夫?！被蛟S有一天，當(dāng)人類真的設(shè)計(jì)出如科幻電影里這套令人嘆為觀止的系統(tǒng)，回望前人為探索星際交通運(yùn)輸領(lǐng)域所走的每一步，大概也會(huì)由衷感嘆一句：“設(shè)計(jì)還欠費(fèi)工夫！”

責(zé)任編輯：刁雅琴