【大林猎鹰参数】专题“太空电梯”理想丰满，现实骨感

人类对宇宙总是充满无限的幻想。很多人不仅想上去看看，还梦想在那里长寿。

于是各种科幻小说和电影里充斥着庞大的太空城市，或光怪陆离，或炫酷无比。太空城市要住人，自然需要方便人们往返的交通工具，坐火箭太贵，就有人设想在太空与地面之间架一条电梯，称为“太空电梯”。

庞大炫酷的太空城市

太空电梯的提出

据说太空电梯的概念是苏联科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基最先提出来的，他设想人类未来在一座直达太空的高塔尖端建设一座城堡，人要是想上天，就顺着塔爬上去。啊，不对，他还要在这塔里造一个电梯，人坐在电梯里升上去。太空城堡太高，爬是爬不动的。

请原谅我在本文的开头就调侃了一下齐奥尔科夫斯基，事实上他是一位伟大的科学家，他在西方世界最早提出反推力火箭的概念、最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道空间站的可能性，指出发展宇航和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。齐奥尔科夫斯基是西方现代宇宙航行学的奠基人，被称为航天之父。

苏联铸造的齐奥尔科夫斯基纪念币

受齐奥尔科夫斯基设想启发，1978年科幻作家阿瑟·克拉克在他的《天堂之泉》一书中具体描述了太空电梯，将其描述为一根长长的绳子，人们可以通过这根连接空间站和地面的绳子往来太空与地面之间，并且将建设材料运到天上建设空中城市。

太空电梯和缆绳想像图

太空电梯的研究与推进

1999年，美国宇航局（NASA）马歇尔中心的先进办公室发表了《天梯：太空的先进基础设施》一文；

2005年，NASA正式宣布将“太空天梯”作为“世纪挑战”的首选项目；

2012年，美国“电梯港集团公司”声称他们要在2020年前在月球上建一座太空电梯，这个公司的创始人兼老板是NASA的一名前工程师，他说每年需要筹集至少300万美元来搞“可行性研究”；

日本的太空天梯计划似乎更加周密

同样在2012年，日本一家建筑公司“大林组”宣称他们也在研发一个叫“东京天空之树”的太空电梯，计划在2050年之前搞成功，目标是一次把“30名游客”送上地球同步轨道。

太空电梯什么样？

到目前为止，科幻迷们画了许许多多“天梯”的图画，从目前已经掌握的资料看，太空电梯大致由这样几部分构成：

一、地面基座

地面基座是太空电梯的出发地，游客和太空建筑材料都由这里出发升上天空。由于太空站设置在距离地面36000公里的地球同步轨道，所以这个地面基座也将设在地球的赤道上，不然电梯就是歪的。

画家笔下的天梯基站充满科幻感

二、坚固的绳子

既然是电梯，一定要有东西与太空相连，连接物可能是刚性的，更有可能是柔性的。设计者们认为一条或几条坚固的绳子成本更低并且更加可靠。绳子将由未来最坚固的碳纳米管材料制成。

三、空间站

设在距离地面36000公里高空的地球同步轨道空间站是太空旅行的终点，电梯将把旅客和建筑材料运送到这里。

缆绳将地球与太空城连接，并延伸到更高的太空

四、“铅坠”

稍懂力学知识的人都知道，地球同步轨道的空间站本身就是个力的平衡点，任何加在它上面的一点点拉力都有可能使它偏离轨道并坠毁，更不用说一条36000公里长的缆绳加上轿厢的重量了，所以这条缆绳还需要向上延长，到距离地面约10万公里的高空，在那里有一个巨大的铅坠，靠铅坠绕地球离心运动的力将缆绳绷直。

五、轿厢

这是电梯升降的工具，它附着在缆绳上，靠电力或“激光推力”推动，可以载人也能运货，日本人说它需要一周的时间才能将人送到同步轨道空间站。

设想的电梯轿厢模样

是不是很科幻？

但是有许多问题需要解决，其中有些是硬伤。

一、上哪儿找这么根绳子？

据最新的研究成果证明，碳纳米管是人类能做出来的最坚固材料，它比钢铁轻许多，但抗拉强度却是钢铁的100倍！看样子是建造天梯缆绳的终极理想材料。

碳纳米管的密度是2.1g/cm³，钢铁的密度是7.85g/cm³，从重量看碳纳米管大约只有钢铁的1/4。如果这条缆绳有5cm粗，从地面到空间站36000km的距离，缆绳自身的重量是多少？

假设这条缆绳粗细均匀，它的总体积是V=π×2.5²×3600000000=70686000000cm³

它的总质量约为148440.6吨。

如果这根缆绳连接到10万公里高空的铅坠，它的总质量将达到41.23万吨！

我们已知一根完美碳纳米管的最高抗拉强度大约为200GPa，也就是说每平方毫米的碳纳米管可以承受20万N的拉力，直径5cm粗完美无缺陷的碳纳米管大约可以承受4万吨的拉力。

由此我们可以很容易地知道，缆绳的抗拉强度远远比不上它自身的质量，更不用说在它的上面还要附着沉重的轿厢，另一头还要栓上沉重的铅坠了。

目前还在研究中的碳纳米管微观结构

碳纳米管的研究目前还处于实验室阶段，科学家们能造出最长的碳纳米管也仅在1米以内，未来即使能造出几千几万公里长的缆绳，如何将它的抗拉强度从理论值提高20倍，依然是个严峻的课题。

加粗缆绳如何？把它的截面积提高20倍可以吗？不行。因为缆绳越粗它的重量等比例放大，一样会被拉断。

二、这么重的东西怎么送上天？

如果说太空站或地球同步轨道的太空城，我们可以一个模块一个模块用火箭发射上去，送到36000公里高的地球同步轨道拼装；那个距离地面约10万公里高空的巨大铅坠也可以分割成小块一点一点地送上太空拼装起来。如何将一条重达40万吨的缆绳送上太空？这是一个巨大的问题。

直升机拖动线轴为跨江电缆放线

有朋友可能说了，那些粗大的跨江电缆可以通过直升机放细线、细线拉粗绳、粗绳拉钢索的方式一步一步地达到目的，为什么太空电梯的缆绳不能照猫画虎呢？

你有所不知，跨江缆绳再长也不过是几千米，放线是水平拖动，缆索的抗拉强度完全可以承受电缆的重量。而太空是几万公里的垂直距离，你必须通过火箭将缆绳带上天，即使是头发粗细的先导缆索，现役所有的重型火箭都无法拖动，更不用说它即使被带上太空，也只能承受其自身重量，更别说去拖动几万几十万吨的沉重缆索了。

“重型猎鹰”地球同步轨道运载能力仅为26.7吨

没有缆索的强大拉力，处于十万公里高轨道的铅坠能保持与地球同步轨道太空城相同的角速度吗？并不能，它会飞得无影无踪。

缆绳带不上天，一切都无从谈起。

三、太空城并不稳定

说起地球同步轨道卫星，许多人都觉得它是绝对稳定的，只要将其定位在36000公里高空的轨道上就可以不用管了，这是非常错误的理解。

地球同步轨道卫星除了以自身3.075km∕s的线速度平衡地球的引力之外，它还会时时受到其它天体的摄动力影响。

月球潮汐引力会造成地球同步轨道严重变形

一座质量达1000万吨的太空城，它在地球同步轨道上运行时，月球对它的扰动力会有多少？

根据万有引力公式 F=GMm/r²，

月球远地点距离地球约406731km，如果空间站此时运行到近月点，月球对它的引力约为36.9万牛顿，也就是37653公斤力。

而当月球到达近地点时，它距离地球364397km，月球对空间站的引力增加到48163公斤力。

鉴于月球绕地球轨道面（白道面）与地球赤道面并不在一个面上，它的夹角在18.3°-28.6°之间不断变化，因此月球对处于赤道面上运行的太空城的引力是一个斜向力，它会将太空城拖着向两边不规律摆动。太空城质量越大，月球对它的摄动力越大。

月球对地球同步轨道斜向引力示意图

如果此时再加上太空电梯和它远端连着的铅坠，这个摄动力关系就更加复杂，来回间，连接缆绳会因应力疲劳加速老化，最终崩断。

四、灾难因素

太空电梯的缆绳面临的考验是多方面的。除了上一节提到的月球潮汐引力带来的应力变化和左右摇摆外，太阳风风压、宇宙射线的摧残、地球大气流动的横向拉力、轿厢轮轨的磨损等都会缩短缆绳的寿命。

在地球周围的太空中，运行着数以千计的各种卫星，这些卫星几乎无一例外地要穿越赤道面，理论上都有撞击太空电梯缆索的可能。更不用说那些在外太空数以十万计的太空垃圾和报废卫星，这些不受控的人造天体以极快的速度运动，哪怕是1厘米大小的碎片撞击缆索，都会造成缆索的损伤甚至断裂。

数十年来地球周围增加了数千卫星和数十万太空垃圾

一旦缆索从中间断裂，那个铅坠会拖着一部分绳子飞向太空，巨大的拉力和应力释放会像鞭子一样抽击太空城，另一端缆绳则会抽打在地面上造成灾难。

这种缆索的维护和更换极其困难并且耗资巨大，你甚至不可能做到在太空中修补它，更不用说换一条新缆绳了。

总结：

说了这么多，我们最后以几句话进行总结：

太空城市和太空电梯是伟大的构想，事实上，它只是个不必要的幻想。人类开发太空并不是为了花“几百美元”去同步轨道旅游几天，即使这东西建成了，它对科学的贡献有限，更多不过是极少数有钱人炫富的工具。

无论从技术角度、还是经济层面，在可预见的未来，巨大的太空轨道城市以及太空电梯都是不会实现的。

你不能指望找个印度人吹吹打打就能将绳子送上天

太空电梯本身蕴含着诸多不确定性和毁灭性风险，尽管这种风险在科幻小说和贪婪商人用以圈钱的PPT中被忽略，但我们应该从科学的角度来审视它，正视这种风险和危害。

齐奥尔科夫斯基说：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。"无论从科学的角度还是为了人类的未来，我们都应当将眼光放在更遥远的星球，而不是用一根绳子将自己拴在摇篮的边缘晃动。更何况，这注定是根不牢靠的绳子，它会带来毁灭。

太空天梯，你想想就好。