本文来自微信公众号：太空与网络 （ID：satnetdy），作者：张雪松，原文标题：《太空电梯：遥不可及的登天之路》，题图来自：《流浪地球2》
今年大年初一，电影大片《流浪地球2》正式上映，这部影片不仅有拯救人类的宏大情节，也有精彩的特效画面，尤其是片中太空电梯起飞和降落的场面，给观众带来巨大的视觉震撼。
那么，现实世界中，宏伟的太空电梯有可能建成吗？让我们从影片讲起，聊聊太空电梯的前世、今生和未来。
(资料图片仅供参考)
影片中太空电梯的bug
影片中太空电梯的特效场景极为壮观，图源：《流浪地球2》
《流浪地球2》中，太空电梯高耸入云，是当之无愧的接天之塔。太空电梯是人类廉价和大量进入太空、开发太空的关键科技树，堪称“宇宙级高速公路”，太空电梯危机也是影片中的重要情节。根据影片主创团队的解读，太空电梯画面从设计到最终呈现，团队进行了十分细致的研究工作，花费大量时间制作出精美和炫酷的视觉效果，预告短片中的惊鸿一现就相当惊艳，电影院中的观影效果更让观众大呼过瘾。
然而这其中，却存在一些不合理的设定。
首先，是轿厢的形状。
影片中，太空电梯采用分段式推进方式——起飞时完全依靠发动机喷射提供反推动力，像火箭发射一样上升；到了一定高度，改为磁力牵引向上，这就和普通电梯差不多了；最后阶段，实现电梯和空间站对接。而搭载人员和货物的轿厢采用方形平台状的设计，据称加速度达到了9个G，因此影片中电梯“发射”的特效画面视觉上相当壮观。
大板砖状的太空轿厢，在气动上很不合理，图源：《流浪地球2》
航天科普界有一句戏言：只要发动机给力，板砖也能飞上天。我们有理由怀疑《流浪地球2》的主创团队是否为了致敬这句话，居然真的把太空电梯轿厢设计成了“大号板砖”。考虑到9个G加速度的设定，轿厢在大气层内的上升速度将很快超过声速，然而板砖状而不是流线型的轿厢，在空气动力学上实在太不科学了。
轿厢喷射反推快速上升场面极为壮观，但电磁推动上升才是合理的选择，图源：《流浪地球2》
其次，起飞时采用发动机喷射高速推进，其实也很不合理。
火箭发射时，大部分燃料用于给自身加速，速度和燃料消耗并非正比，比如猎鹰九号火箭第一级分离的速度只有2.3千米/秒，甚至更低，此时距离入轨的7.7千米/秒速度还差很多，但火箭的第一级却装有火箭绝大部分的燃料。
太空电梯相对于传统火箭推进的优势，就在于本身无需携带大量燃料，理论上能实现极为低廉的入轨成本，人类和货物乘坐太空电梯廉价进入太空，将为大航天时代的太空大开发奠定基础。
从这个角度看，影片中电梯轿厢开始上升时使用发动机喷气推进，在工程和设定上画蛇添足了。如果类似正常电梯的磁力拉升方案可行，直接从地面拉升到静止轨道空间站即可，无非速度慢一点，多花一些时间，根本不需要在初始段采用发动机喷射反推。毕竟卡门线以内100公里的运行距离，相对于整个旅程的距离（即从地面到静止轨道，35786公里），几乎可以忽略不计，没必要大费周章地增加工程复杂度，只求缩短这么点时间。
不过的确，轿厢壮观的喷射托举快速上升的画面，比静默无声缓慢上升要精彩得多，不知这是否是主创团队如此设计的初衷。
冰盾设计和喷射上升都是画蛇添足的败笔，太空电梯载入速度并不快，无需特意防热，图源：《流浪地球2》
其三，太空轿厢返回大气层的防热创意，是另一个不大不小的败笔。
电影视效总监徐建解释说，太空轿厢从太空返回大气层时，会有摩擦生热问题，于是他们特意设计了冰盾概念。具体来说，就是太空中注水瞬间结冰，随后返回大气层中燃烧（受热蒸发），能够极大地节省返回成本。
然而正如上文提到的，如果采取磁力拉升或下降，类似正常电梯升降，地球上高层电梯下降时不需要防热，太空电梯返回大气层也根本没有返回防热的问题。一个以每小时几百公里速度下降的太空轿厢，尤其是板砖型的轿厢，也只是距离地面十几公里高度以内的稠密大气中需要减速，减速后升降都多花不了几分钟时间。
太空电梯和方舟空间站的坠落，即使空间站在静止轨道，这也是很不合理的，图源：《流浪地球2》
其四，影片中太空电梯被攻击断裂后，位于35786公里高度的方舟空间站很快坠落地球，并落到加蓬的地面站附近，这在物理学上是根本不可能的。
理论上，太空电梯整体结构的重量极为惊人，不会坠落的原因是，超过地球静止轨道高度的超长设计，使得电梯受到的地球引力正好等于环绕地球产生的离心力。具体来说，在35786公里高度的静止轨道以下，电梯受到的重力大于离心力，而静止轨道高度以上，电梯受到的重力小于离心力，太空电梯总体受力平衡，就能稳稳地飘在空中。
图源：wikipedia
因此，一旦太空电梯结构被破坏后，平衡被打破，没了电梯下半部分自重的拉力，断裂点上半部分和配重，将在离心力的作用下被甩出地球轨道。影片中方舟空间站本身是被甩飞还是坠落，要看断裂点在静止轨道空间站的上方还是下方，但即使缆绳在空间站上方断裂，空间站被电梯结构下半部分的自重拖拉坠毁，坠落速度也并不会快。而且由于空间站环绕线速度更快，残骸只会远远落到地面站以东的区域，而不可能垂直坠落在太空电梯的地面站附近。
前世、今生与未来：令人着迷的太空电梯
《流浪地球2》的太空电梯不太合理，那科学家和工程师们畅想的太空电梯又是什么样的呢？
太空电梯的概念可以追溯到航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，他1903年发表的论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，为现代火箭奠定了理论基础，而早在1895年他就提出了太空电梯的构想。
齐奥尔科夫斯基的太空电梯借鉴了埃菲尔铁塔的概念，他考虑建造一个类似的高塔，塔顶达到地球静止轨道高度也就是35786公里，在这里释放的物体可以直接进入静止轨道。然而建造35786公里高度的高塔，实在是远远超出了人类的工程技术水平，甚至可以说是完全不可行的。
1957年，苏联第一颗人造卫星发射成功，人类从此进入航天时代，但火箭喷气推进的运载器效率很低。现代运载火箭的顶尖水平德尔塔重型火箭，起飞质量约733吨，只能将28.8吨的载荷送入近地轨道，运载系数约4%而已，再加上火箭普遍是一次性使用，更是让登天之路无比昂贵。
太空电梯作为可以登天入轨的“高铁”，不仅重复使用而且比火箭推进高效得多，理论上能革命性地降低入轨成本，推动大规模的太空发展。
太空电梯具有如此诱人的发展前景，因此无论是科学家还是科幻作家，都为这个先进概念着迷。而太空电梯概念的提出，科学界走在了科幻界的前面。
工程师们首先意识到，既然齐奥尔科夫斯基提出的建造超级高塔的方案不可行，那么反其道而行之呢？
1960年，苏联列宁格勒的工程师尤里·阿尔苏塔诺夫为《真理报》写了一篇非技术性的文章，首次认识到可以从静止轨道卫星向下伸出绳索，而不是从地面建高塔造太空电梯。苏联人的这个概念极具创新性，但这篇非技术性的文章被埋没在浩如烟海的《真理报》中无人关注。
1966年，约翰·艾萨克领导的一群美国海洋学家，在《科学》杂志上发表了从静止轨道卫星悬挂触须状的细绳的短文，可惜即使是《科学》杂志的巨大影响力，也没能引起航天工程师们的注意。
事不过三，1975年，美国空军研究实验室的杰罗姆·皮尔逊再次独立发明了悬挂缆绳的太空电梯概念，论文发表在《宇航学报》（Acta Astronautica）上，至此航天领域终于广泛关注到了太空电梯。皮尔逊的太空电梯概念还给科幻巨匠亚瑟·克拉克带来了灵感，写出了名作《天堂喷泉》，让太空电梯的概念引起了全世界的广泛关注，成为科幻作品中经久不衰的热门话题。
20世纪末，科学家们深入探讨了太空电梯的概念，集大成者是美国马歇尔航天中心1999年举办的太空电梯研讨会。2000年8月，马歇尔航天中心正式发布《太空电梯：新千年的先进地空基础设施》报告，对太空电梯概念和研究进行了全面总结。该报告提到，太空电梯是连接地球和太空的基础设施；太空电梯质心位于静止轨道高度，从而做到和地球自转相同的角速度，也就是和地球相对静止；太空电梯将使用电磁推进方式上行和下行轿厢，轿厢升降的能量主要由外部提供；根据速度设计的不同，低速系统以每小时数百公里的速度上行，数天后抵达静止轨道空间站，而高速系统可以达到每小时2000公里甚至更高的速度，抵达静止轨道的时间能压缩到10小时或更短。如此，就真和国际航班的时间差不多了。
美国马歇尔航天中心报告中的太空电梯概念图，图源：NASA
2018年国际宇航研究院发布的报告，封面图就是畅想的太空电梯概念
太空电梯虽然在工程实施上的难度达到登天级别，但仍有大量科学家、工程师坚持不懈地投入研究，实在是因为它具有极大的发展潜力，能像高速公路和铁路一样向太空大规模运输物资，而且真正能够让运载成本实现数量级的降低。
经测算，太空电梯运人运货的能量需求很低，每千克货物上行到静止轨道只需要14.8千瓦时的电力，按照美国当时每千瓦时0.1美元的电价，能量成本只需要每千克1.48美元，即使综合考虑其他成本，也有望实现每千克小于10美元的入轨成本。与之相比，如今运载火箭发射入轨的成本普遍在每千克数千到1万美元左右。如果入轨成本能降低到每千克10美元，一个体重60千克的普通人，哪怕加上随身携带的物品，总重量达到100千克，也只需要1000美元就能进入太空。
这个价位和中美往返的经济舱机票价格大致相当。届时，进入太空旅游将不再是超级富豪的特权，人类也将真正进入大规模开发太空的大航天时代，不仅月面基地和太空电站，就是太空城市和火星移民，也都不在话下了。
太空电梯，遥不可及
有人认为，太空电梯有望在21世纪下半叶成为现实，然而就目前的进展来看，太空电梯相关的技术难题始终难以突破，建造太空电梯仍然遥不可及，这个先进的航天概念恐怕还要几十年甚至更长的时间，才能成为现实。
首先我们来看看太空电梯的结构，基于静止轨道的太空电梯由地面基地站，电磁爬升器/轿厢，超长缆绳和支持结构，静止轨道空间站和静止轨道之上的配重组成，这些分系统的难易程度各有不同，但最关键的部分还是缆绳。
一种太空电梯概念图。浮空器（Aerostat）支持结构落在基站附近更合理，图源：http://vadym-pasko.com/projects/space-elevator.html
地面基站是太空电梯缆绳的接地站。与科幻片中炫酷的想象不同，作为飞向太空的航天港，地面基站可以说平淡无奇，夸张些说并不比今天的高铁站或机场难度更大。综合考虑躲避恶劣气象和太空碎片等因素，地面基站的最优方案是国际公海上的移动锚站。
现代太空电梯概念研究发现，海上可移动基站要比固定陆上站更合理和可行，图源：http://vadym-pasko.com/projects/space-elevator.html
相比之下，电磁爬升轿厢的难度就大多了，我们对高层建筑上的电梯早已司空见惯，但太空电梯可没法使用钢索拉升，它要从地面爬升到35786公里高度的静止轨道，靠自身供能的难度极高，总不能轿厢自带核反应堆吧？
现实的轿厢只能通过外部供能。目前研究指出，可以通过有线或无线方式外部供能，具体地说可以使用承重的导电缆绳供电，也可以单独拉一根供电缆绳。综合考虑到电磁推进系统，加速和速度以及距离等因素，太空轿厢将主要采用非接触式运输，形象地说，就是飞向太空的磁悬浮列车，那么单独的供电缆绳方案更合理。当然，无线方式供电方式更简单可行，目前最热门也是公认的最优解决方案，就是高能激光束供能，兆瓦级的高能激光器加上自适应反射镜，聚焦照射到太空轿厢上的光伏发电阵列，为轿厢的升降提供能量。
缆绳是太空电梯工程实现最大的拦路虎，从地面到35786公里高度的超长绳索自重很大，综合折算需要地面重力下承受4960公里长度自重的材料，这就需要极高抗拉强度和低密度的特种材料。相比之下，我们常见的钢铁、铝合金或钛合金，强度低、密度大，导致断裂长度仅为20~30公里，根本不能承担太空电梯缆绳的重任。
目前可实现工程应用的抗拉强度最高的材料碳纤维，抗拉强度只有7 GPa左右，断裂长度约数百公里，仍然远远无法满足太空电梯缆绳的需求。
1991年，日本科学家饭岛澄男发现了碳纳米管材料，理论上说抗拉强度可以达到数百GPa，让陷入停滞的太空电梯研究者再次看到了希望。美国NASA先进概念研究所的太空电梯研究报告中，设定缆绳使用碳纳米管材料，抗拉强度至少为100GPa，缆绳密度为每立方米1.3吨。现在实验室中制取的碳纳米管抗拉强度已经达到了200GPa，似乎看起来，太空电梯不再遥远。
遗憾的是，碳纳米管的制取长期存在大量问题，不仅制备出的长度只有几毫米，而且长碳纳米管的内部还有大量结构缺陷，碳纳米管的长度和强度无法兼得。2013年清华大学魏飞教授研究团队成功制备了半米长度的碳纳米管，当时该团队提出将进一步制取千米长度的碳纳米管，这些进步为太空电梯带来了一线曙光。然而10年过去了，仍没有更长的碳纳米管制备成功的报道。太空电梯最关键的缆绳材料，技术门槛仍难以跨越。
碳纳米管（CNTs）的出现为建造太空电梯带来了希望，但技术发展还远远不够，图源：wikipedia
碳纳米管材料作为太空电梯的缆绳，还面临很多其他障碍。比如耐久性，姑且不说巨大的拉力下碳纳米管多长时间会出现疲劳和断裂，光是外界环境带来的腐蚀就让人头痛。日本著名建筑公司大林组曾宣布要建设太空电梯，并于2015年把碳纳米管材料送上国际空间站进行耐久性试验，结果发现，高空大气的原子氧对碳纳米管样品的腐蚀极为严重。虽然大气层内包括氧气都没有原子态氧的强腐蚀能力，但它们仍会腐蚀碳纳米管，造成缆绳强度降低，带来巨大的安全隐患。
总而言之，太空电梯对材料等各方面提出了极为严苛的要求，巨大的技术难度，让太空电梯的建造遥不可及。但是我们相信，有那么一群人，不会放弃努力。
希望在我们的有生之年，能够看到这样的天梯，拔地而起，直通云霄，实现人类大规模进入太空的宏愿。
本文来自微信公众号：太空与网络 （ID：satnetdy），作者：张雪松
