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流浪地球2的太空电梯能实现吗

摘要:2023兔年春节,《流浪地球2》震撼登场,给影迷、科幻迷和大刘迷们带来一场视觉盛宴。在流浪地球2中,最为…

摘要:

2023兔年春节,《流浪地球2》震撼登场,给影迷、科幻迷和大刘迷们带来一场视觉盛宴。在流浪地球2中,最为抢眼的是围绕月球坠落、空间站和太空电梯的硬核科幻大戏,让人拍案叫绝,直呼过瘾。但有朋友却说,太空

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2023兔年春节,《流浪地球2》震撼登场,给影迷、科幻迷和大刘迷们带来一场视觉盛宴。在流浪地球2中,最为抢眼的是围绕月球坠落、空间站和太空电梯的硬核科幻大戏,让人拍案叫绝,直呼过瘾。但有朋友却说,太空电梯是电影的一个巨大“硬伤”,因为它在物理上不可能实现。我们今天就来聊一聊太空电梯。地面基座是太空电梯的出发地,同时也是电梯缆索在地面的固定点,基座巨大并且极为牢固。太空电梯的轿厢可以由电力驱动,但在流浪地球2中,太空电梯在发射初段竟是由8个火箭发动机推着向上飞行的。
流浪地球2的太空电梯能实现吗究竟是怎么一回事,跟随小编一起看看吧。

2023兔年春节,《流浪地球2》震撼登场,给影迷、科幻迷和大刘迷们带来一场视觉盛宴。在流浪地球2中,最为抢眼的是围绕月球坠落、空间站和太空电梯的硬核科幻大戏,让人拍案叫绝,直呼过瘾。

但有朋友却说,太空电梯是电影的一个巨大“硬伤”,因为它在物理上不可能实现。

果真如此?

我们今天就来聊一聊太空电梯。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图

太空电梯又称“轨道电梯”,它其实不是啥新概念,科幻作家阿瑟·克拉克1978年在《天堂之泉》一书中就描述了空间电梯沿着一根长长的绳子往返地面送到空间站,这个电梯可以很方便地运输人员和货物,比发射火箭更安全且便宜。而最早提出太空电梯概念的则是苏联科学家、西方现代宇航学奠基人、“航天之父”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,他认为未来人类会建造一座直达太空的高塔,高塔的尖端是一座城堡,人们将乘坐电梯往返到达那里。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图1

好东西自然不会被太空强国放过,1999年,美国航天局(NASA)马歇尔中心的先进办公室就开展了太空电梯的研究,并发表名为《天梯:太空的先进基础设施》的文章;2005年NASA又搞了个“世纪挑战”,首选项目就是太空天梯;2012年,美国一家公司声称要建一个连接地球和月球的太空电梯,每年筹集至少300万美元搞可行性研究,这空公司的CEO就来自NASA。

紧随美利坚,日本一间名为“大林组”的建筑公司也在2012年宣称将研发“东京天空之树”,要在2050年前把30个日本人送到地球同步轨道,不知道这家公司现在还在否?

太空电梯是什么样的?

与大楼里普通的电梯不同,太空电梯拥有巨大坚固的基座、一条或一组高强度缆绳、一个或几个空间站、一个或几个升降轿厢,还得有一个巨型“铅坠”,“铅坠”可以被设计成另一座空间站,它的主要作用是电梯在太空的配重或“锚”,将缆索拉直并达成力学上的平衡。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图2

基座

地面基座是太空电梯的出发地,同时也是电梯缆索在地面的固定点,基座巨大并且极为牢固。为了使太空电梯中部的“方舟空间站”尽量稳定运行,这个基座需要建造在地球赤道上。

缆索

连接地面基座与空间站的,是一条或一组超高强度的缆索,这条缆索一方面要连接36000高空地球同步静止轨道的空间站,还要拉扯近10万公里高的巨大配重,其自身重量和强度将受到诸多因素的严峻考验。我们放在后面单独讲。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图3

空间站

天宫空间站和国际空间站都在约400公里的倾斜轨道绕地球飞行,每绕地球转一圈的时间约91分钟,一天24小时要转16圈。由于未来的空间站有缆索牵着,它的飞行需要与地球保持同步,并且要尽量保持稳定。因此,太空电梯的空间站会设在地球赤道上方36000公里的地球同步静止轨道上。

由于太空电梯缆索系统自重非常大,设在静止轨道上的空间站无法承受,所以缆索需要穿过空间站并向上延长几万公里,直到近10万公里的高空,在这里有一个巨大的配重块将缆索绷紧。当然,一个新的空间站也能起到配重或“锚固”的作用。

这样一来,太空电梯至少可以有两个空间站。

轿厢

太空电梯是天地运载工具,与普通电梯一样,它也有一个或多个轿厢。太空电梯的轿厢可以由电力驱动,但在流浪地球2中,太空电梯在发射初段竟是由8个火箭发动机推着向上飞行的。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图4

幻想总是非常美好,但问题是上哪儿找一条10万公里长、足够轻又足够牢固的电梯缆绳?

没有这种缆索

到目前为止,我们知道碳纳米管是人类能造出来的最坚固材料,它的密度仅为钢铁的四分之一,抗拉强度却是后者的100倍,看起来应该是制造太空缆索的理想材料。

我们假设每根碳纳米管缆索的直径是5厘米,其最高抗拉强度约为200GPa,也就是每平方毫米可承受约20万牛顿拉力,那么这根缆索最多能承受4万吨拉力而不断裂!

但是且慢!一条5万公里长(10万对半)、5厘米直径的碳纳米缆索的重量是多少呢?

我们知道碳纳米管的密度是2.1克/立方厘米,太空电梯的缆索应该粗细均匀,5万公里长的碳纳米缆绳,其自身质量将达到20.6万吨,这是缆索自身抗拉强度的5倍多!

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图5

简单讲,即便是最坚固的碳纳米缆索,它也会在太空电梯的中间部分轻易被拉断,这还没计算“天梯”顶端配重块对其施加的强大拉力。

你可能会说,一根缆索容易断,我用多根缆索,或者把绳子加粗,行不行?

加粗绳索当然可以增加拉力,但绳子越粗,它的质量也越大,缆索永远承受不了其自重。所以在新的更强的材料问世前,太空电梯只能是幻想。

假如有了足够强度的缆绳,怎么把它送上天,又是个新课题。

缆索无法安装

我们现在铺设超高压电缆,通常都是用无人机或直升机先拉一条细细的先导缆索,用尼龙线拉钢丝、一级一级加强的方式把沉重的电缆拉过宽阔的江河。但是你知道,跨江电缆是水平铺设并且最多只有几公里,而太空电梯的缆索是直上直下几万公里中间不能中断。

人类最强大的火箭只能把百余吨的载荷送到近地轨道,没有任何一枚火箭可以一次性把几十万吨的缆索拖到地球同步轨道,更不用说让它到达10万公里的高空。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图6

没有缆索的拖拽,10万公里高度的配重块(或空间站)不可能与地球地表保持相对静止。

太空电梯寿命堪忧

即便是我们千辛万苦、耗费巨资建成了太空电梯,也无法一劳永逸地享用它。

太空电梯将面临从低空到高空全方位的威胁:雨水风沙盐雾会侵蚀缆索;大气流动会对缆索施加横向拉力,使它弯曲、振颤;电梯轿厢高速上下运动会造成缆索表面快速磨损;在中低轨道运行的所有航天器,只要其轨道穿越地球赤道,理论上都可能与太空电梯的缆索发生高速碰撞;数以百万计的太空垃圾更是无法控制又躲不开,碳纳米缆索有很好的抗拉强度,但在抗剪切力方面却是渣渣,一撞就断;在近地轨道分布着大量原子氧,它能快速氧化缆索表面的碳并将其带走,因此我们需要在缆索表面做足抗腐蚀工作。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图7

受到太阳和月球引力的影响,太空电梯很难做到稳定运行,潮汐引力会牵拉空间站、配重块和缆索本身,使其发生伸缩摇摆,这也会缩短缆索的寿命。

一旦缆索断裂,其结果将是灾难性的。

配重块在失去缆索的束缚后,会沿切线方向高速飞离地球;于此同时,位于3.6万公里的方舟空间站会在下方缆索张力牵拉下坠向地球,造成严重的灾难。

流浪地球2的太空电梯能实现吗插图8

当然,作为一部刺激感官的科幻电影,《流浪地球2》不需要考虑太多科学原理和技术细节,也无须思考太空电梯在未来几十年时间里是否可以变为现实,它只需大胆假设其存在就好。

既然太阳都能在百年之内“氦闪”,相比之下太空电梯真算不得什么“致命伤”。

太空电梯以及某种形式存在的“天梯”一直是人们对于航天的终极梦想之一,它能以非常小的成本将人和物资送到太空进行生产和研究,与发射火箭相比更节省也更环保。相信在未来的某一天,人类可以克服本文提及的所有困难,建成太空电梯,并且防止“方舟空间站坠毁”的灾难发生。

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