影片中太空電梯的bug

《流浪地球2》影片中太空電梯的特效場(chǎng)景極為壯觀

《流浪地球2》中，太空電梯高聳入云，是當(dāng)之無(wú)愧的接天之塔。太空電梯是人類廉價(jià)和大量進(jìn)入太空、開發(fā)太空的關(guān)鍵科技樹，堪稱“宇宙級(jí)高速公路”，太空電梯危機(jī)也是影片中的重要情節(jié)。根據(jù)影片主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)的解讀，太空電梯畫面從設(shè)計(jì)到最終呈現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了十分細(xì)致的研究工作，花費(fèi)大量時(shí)間制作出精美和炫酷的視覺(jué)效果，預(yù)告短片中的驚鴻一現(xiàn)就相當(dāng)驚艷，電影院中的觀影效果更讓觀眾大呼過(guò)癮。

然而這其中，卻存在一些不合理的設(shè)定。

首先，是轎廂的形狀。

影片中，太空電梯采用分段式推進(jìn)方式——起飛時(shí)完全依靠發(fā)動(dòng)機(jī)噴射提供反推動(dòng)力，像火箭發(fā)射一樣上升；到了一定高度，改為磁力牽引向上，這就和普通電梯差不多了；最后階段，實(shí)現(xiàn)電梯和空間站對(duì)接。而搭載人員和貨物的轎廂采用方形平臺(tái)狀的設(shè)計(jì)，據(jù)稱加速度達(dá)到了9個(gè)G，因此影片中電梯“發(fā)射”的特效畫面視覺(jué)上相當(dāng)壯觀。

大板磚狀的太空轎廂，在氣動(dòng)上很不合理

航天科普界有一句戲言：只要發(fā)動(dòng)機(jī)給力，板磚也能飛上天。我們有理由懷疑《流浪地球2》的主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)是否為了致敬這句話，居然真的把太空電梯轎廂設(shè)計(jì)成了“大號(hào)板磚”。考慮到9個(gè)G加速度的設(shè)定，轎廂在大氣層內(nèi)的上升速度將很快超過(guò)聲速，然而板磚狀而不是流線型的轎廂，在空氣動(dòng)力學(xué)上實(shí)在太不科學(xué)了。

轎廂噴射反推快速上升場(chǎng)面極為壯觀，但電磁推動(dòng)上升才是合理的選擇

其次，起飛時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)噴射高速推進(jìn)，其實(shí)也很不合理。

火箭發(fā)射時(shí)，大部分燃料用于給自身加速，速度和燃料消耗并非正比，比如獵鷹九號(hào)火箭第一級(jí)分離的速度只有2.3千米/秒，甚至更低，此時(shí)距離入軌的7.7千米/秒速度還差很多，但火箭的第一級(jí)卻裝有火箭絕大部分的燃料。

太空電梯相對(duì)于傳統(tǒng)火箭推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，就在于本身無(wú)需攜帶大量燃料，理論上能實(shí)現(xiàn)極為低廉的入軌成本，人類和貨物乘坐太空電梯廉價(jià)進(jìn)入太空，將為大航天時(shí)代的太空大開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

從這個(gè)角度看，影片中電梯轎廂開始上升時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣推進(jìn)，在工程和設(shè)定上畫蛇添足了。如果類似正常電梯的磁力拉升方案可行，直接從地面拉升到靜止軌道空間站即可，無(wú)非速度慢一點(diǎn)，多花一些時(shí)間，根本不需要在初始段采用發(fā)動(dòng)機(jī)噴射反推。畢竟卡門線以內(nèi)100公里的運(yùn)行距離，相對(duì)于整個(gè)旅程的距離（即從地面到靜止軌道，35786公里），幾乎可以忽略不計(jì)，沒(méi)必要大費(fèi)周章地增加工程復(fù)雜度，只求縮短這么點(diǎn)時(shí)間。不過(guò)的確，轎廂壯觀的噴射托舉快速上升的畫面，比靜默無(wú)聲的緩慢上升要精彩得多，不知這是否是主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)如此設(shè)計(jì)的初衷。

冰盾設(shè)計(jì)和噴射上升都是畫蛇添足的敗筆，太空電梯再入速度并不快，無(wú)需特意防熱

其三，太空轎廂返回大氣層的防熱創(chuàng)意，是另一個(gè)不大不小的敗筆。

電影視效總監(jiān)徐建解釋說(shuō)，太空轎廂從太空返回大氣層時(shí)，會(huì)有摩擦生熱問(wèn)題，于是他們特意設(shè)計(jì)了冰盾概念。具體地說(shuō)，就是太空中注水瞬間結(jié)冰，隨后返回大氣層中燃燒（受熱蒸發(fā)），能夠極大地節(jié)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，類似正常電梯升降，地球上高層電梯下降時(shí)不需要防熱，太空電梯返回大氣層也根本沒(méi)有返回防熱的問(wèn)題。一個(gè)以每小時(shí)幾百公里速度下降的太空轎廂，尤其是板磚型的轎廂，也只是距離地面十幾公里高度以內(nèi)的稠密大氣中需要減速，減速后升降都多花不了幾分鐘時(shí)間。

太空電梯和方舟空間站的墜落，即使空間站在靜止軌道，這也是很不合理的

其四，影片中太空電梯被攻擊斷裂后，位于35786公里高度的方舟空間站很快墜落地球，并落到加蓬的地面站附近，這在物理學(xué)上是根本不可能的。

理論上，太空電梯整體結(jié)構(gòu)的重量極為驚人，不會(huì)墜落的原因是，超過(guò)地球靜止軌道高度的超長(zhǎng)設(shè)計(jì)，使得電梯受到的地球引力正好等于環(huán)繞地球產(chǎn)生的離心力，具體來(lái)說(shuō)，在35786公里高度的靜止軌道以下，電梯受到的重力大于離心力，而靜止軌道高度以上，電梯受到的重力小于離心力，太空電梯總體受力平衡，就能穩(wěn)穩(wěn)地飄在空中。

因此，一旦太空電梯結(jié)構(gòu)被破壞后，平衡被打破，沒(méi)了電梯下半部分自重的拉力，斷裂點(diǎn)上半部分和配重，將在離心力的作用下被甩出地球軌道。影片中方舟空間站本身是被甩飛還是墜落，要看斷裂點(diǎn)在靜止軌道空間站的上方還是下方，但即使纜繩在空間站上方斷裂，空間站被電梯結(jié)構(gòu)下半部分的自重拖拉墜毀，墜落速度也并不會(huì)快。而且由于空間站環(huán)繞線速度更快，殘骸只會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落到地面站以東的區(qū)域，而不可能垂直墜落在太空電梯的地面站附近。

前世、今生與未來(lái)：令人著迷的太空電梯

齊奧爾科夫斯基構(gòu)想的太空電梯是放大的埃菲爾鐵塔，從工程上是完全不可行的

《流浪地球2》的太空電梯不太合理，那科學(xué)家和工程師們暢想的太空電梯又是什么樣的呢？

太空電梯的概念可以追溯到航天先驅(qū)康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，他1903年發(fā)表的論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，為現(xiàn)代火箭奠定了理論基礎(chǔ)，而早在1895年他就提出了太空電梯的構(gòu)想。

齊奧爾科夫斯基的太空電梯借鑒了埃菲爾鐵塔的概念，他考慮建造一個(gè)類似的高塔，塔頂達(dá)到地球靜止軌道高度也就是35786公里，在這里釋放的物體可以直接進(jìn)入靜止軌道。然而建造35786公里高度的高塔，實(shí)在是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類的工程技術(shù)水平，甚至可以說(shuō)是完全不可行的。

1957年，蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，人類從此進(jìn)入航天時(shí)代，但火箭噴氣推進(jìn)的運(yùn)載器效率很低?，F(xiàn)代運(yùn)載火箭的頂尖水平德爾塔重型火箭，起飛質(zhì)量約733噸，只能將28.8噸的載荷送入近地軌道，運(yùn)載系數(shù)約4%而已，再加上火箭普遍是一次性使用，更是讓登天之路無(wú)比昂貴。

太空電梯作為可以登天入軌的“高鐵”，不僅重復(fù)使用而且比火箭推進(jìn)高效得多，理論上能革命性地降低入軌成本，推動(dòng)大規(guī)模的太空發(fā)展。

太空電梯具有如此誘人的發(fā)展前景，因此無(wú)論是科學(xué)家還是科幻作家，都為這個(gè)先進(jìn)概念著迷。而太空電梯概念的提出，科學(xué)界走在了科幻界的前面。

工程師們首先意識(shí)到，既然齊奧爾科夫斯基提出的建造超級(jí)高塔的方案不可行，那么反其道而行之呢？

1960年，蘇聯(lián)列寧格勒的工程師尤里·阿爾蘇塔諾夫?yàn)椤墩胬韴?bào)》寫了一篇非技術(shù)性的文章，首次認(rèn)識(shí)到可以從靜止軌道衛(wèi)星向下伸出繩索，而不是從地面建高塔造太空電梯。蘇聯(lián)人的這個(gè)概念極具創(chuàng)新性，但這篇非技術(shù)性的文章被埋沒(méi)在浩如煙海的《真理報(bào)》中無(wú)人關(guān)注。

1966年，約翰·艾薩克領(lǐng)導(dǎo)的一群美國(guó)海洋學(xué)家在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了從靜止軌道衛(wèi)星懸掛觸須狀的細(xì)繩的短文，可惜即使是《科學(xué)》雜志的巨大影響力，也沒(méi)能引起航天工程師們的注意。

事不過(guò)三，1975年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的杰羅姆·皮爾遜再次獨(dú)立發(fā)明了懸掛纜繩的太空電梯概念，論文發(fā)表在《宇航學(xué)報(bào)》（Acta Astronautica）上，至此航天領(lǐng)域終于廣泛關(guān)注到了太空電梯。皮爾遜的太空電梯概念還給科幻巨匠亞瑟·克拉克帶來(lái)了靈感，寫出了名作《天堂噴泉》，讓太空電梯的概念引起了全世界的廣泛關(guān)注，成為科幻作品中經(jīng)久不衰的熱門話題。

亞瑟克拉克科幻名作的《天堂噴泉》，讓小眾的太空電梯概念變得廣為人知

20世紀(jì)末，科學(xué)家們深入探討了太空電梯的概念，集大成者是美國(guó)馬歇爾航天中心1999年舉辦的太空電梯研討會(huì)。2000年8月，馬歇爾航天中心正式發(fā)布《太空電梯：新千年的先進(jìn)地空基礎(chǔ)設(shè)施》報(bào)告，對(duì)太空電梯概念和研究進(jìn)行了全面總結(jié)。該報(bào)告提到，太空電梯是連接地球和太空的基礎(chǔ)設(shè)施；太空電梯質(zhì)心位于靜止軌道高度，從而做到和地球自轉(zhuǎn)相同的角速度，也就是和地球相對(duì)靜止；太空電梯將使用電磁推進(jìn)方式上行和下行轎廂，轎廂升降的能量主要由外部提供；根據(jù)速度設(shè)計(jì)的不同，低速系統(tǒng)以每小時(shí)數(shù)百公里的速度上行，數(shù)天后抵達(dá)靜止軌道空間站，而高速系統(tǒng)可以達(dá)到每小時(shí)2000公里甚至更高的速度，抵達(dá)靜止軌道的時(shí)間能壓縮到10小時(shí)或更短。如此，就真和國(guó)際航班的時(shí)間差不多了。

美國(guó)馬歇爾航天中心報(bào)告中的太空電梯概念圖

2018年國(guó)際宇航研究院發(fā)布的報(bào)告，封面圖就是暢想的太空電梯概念

太空電梯雖然在工程實(shí)施上的難度達(dá)到登天級(jí)別，但仍有大量科學(xué)家、工程師堅(jiān)持不懈地投入研究，實(shí)在是因?yàn)樗哂袠O大的發(fā)展?jié)摿Γ芟窀咚俟泛丸F路一樣向太空大規(guī)模運(yùn)輸物資。而且真正能夠讓運(yùn)載成本實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的降低。

經(jīng)測(cè)算，太空電梯運(yùn)人運(yùn)貨的能量需求很低，每千克貨物上行到靜止軌道只需要14.8千瓦時(shí)的電力，按照美國(guó)當(dāng)時(shí)每千瓦時(shí)0.1美元的電價(jià)，能量成本只需要每千克1.48美元，即使綜合考慮其他成本，也有望實(shí)現(xiàn)每千克小于10美元的入軌成本！與之相比，如今運(yùn)載火箭發(fā)射入軌的成本普遍在每千克數(shù)千到1萬(wàn)美元左右。如果入軌成本能降低到每千克10美元，一個(gè)體重60千克的普通人，哪怕加上隨身攜帶的物品，總重量達(dá)到100千克，也只需要1000美元就能進(jìn)入太空，這個(gè)價(jià)位和中美往返的經(jīng)濟(jì)艙機(jī)票價(jià)格大致相當(dāng)，屆時(shí)，進(jìn)入太空旅游將不再是超級(jí)富豪的特權(quán)，人類也將真正進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)太空的大航天時(shí)代，不僅月面基地和太空電站，就是太空城市和火星移民，也都不在話下了。

太空電梯，遙不可及

有人認(rèn)為，太空電梯有望在21世紀(jì)下半葉成為現(xiàn)實(shí)，然而就目前的進(jìn)展來(lái)看，太空電梯相關(guān)的技術(shù)難題始終難以突破，建造太空電梯仍然遙不可及，這個(gè)先進(jìn)的航天概念恐怕還要幾十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，才能成為現(xiàn)實(shí)。

首先我們來(lái)看看太空電梯的結(jié)構(gòu)，基于靜止軌道的太空電梯由地面基地站，電磁爬升器/轎廂，超長(zhǎng)纜繩和支持結(jié)構(gòu)，靜止軌道空間站和靜止軌道之上的配重組成，這些分系統(tǒng)的難易程度各有不同，但最關(guān)鍵的部分還是纜繩。

一種太空電梯概念圖。浮空器（Aerostat）支持結(jié)構(gòu)落在基站附近更合理

地面基站是太空電梯纜繩的接地站。與科幻片中炫酷的想象不同，作為飛向太空的航天港，地面基站可以說(shuō)平淡無(wú)奇，夸張些說(shuō)并不比今天的高鐵站或機(jī)場(chǎng)難度更大。綜合考慮躲避惡劣氣象和太空碎片等因素，地面基站的最優(yōu)方案是國(guó)際公海上的移動(dòng)錨站。

現(xiàn)代太空電梯概念研究發(fā)現(xiàn)，海上可移動(dòng)基站要比固定陸上站更合理和可行

太空電梯最主要的攔路虎，就是超長(zhǎng)纜繩對(duì)超高強(qiáng)度的要求

纜繩是太空電梯工程實(shí)現(xiàn)最大的攔路虎，從地面到35786公里高度的超長(zhǎng)繩索自重很大，綜合折算需要地面重力下承受4960公里長(zhǎng)度自重的材料，這就需要極高抗拉強(qiáng)度和低密度的特種材料。相比之下，我們常見的鋼鐵、鋁合金或鈦合金，強(qiáng)度低、密度大，導(dǎo)致斷裂長(zhǎng)度僅為20~30公里，根本不能承擔(dān)太空電梯纜繩的重任。

目前可實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的抗拉強(qiáng)度最高的材料碳纖維，抗拉強(qiáng)度只有7 GPa左右，斷裂長(zhǎng)度約數(shù)百公里，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足太空電梯纜繩的需求。

1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)了碳納米管材料，理論上說(shuō)抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到數(shù)百GPa，讓陷入停滯的太空電梯研究者再次看到了希望。美國(guó)NASA先進(jìn)概念研究所的太空電梯研究報(bào)告中，設(shè)定纜繩使用碳納米管材料，抗拉強(qiáng)度至少為100GPa，纜繩密度為每立方米1.3噸?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中制取的碳納米管抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了200GPa，似乎看起來(lái)，太空電梯不再遙遠(yuǎn)。

遺憾的是，碳納米管的制取長(zhǎng)期存在大量問(wèn)題，不僅制備出的長(zhǎng)度只有幾毫米，而且長(zhǎng)碳納米管的內(nèi)部還有大量結(jié)構(gòu)缺陷，碳納米管的長(zhǎng)度和強(qiáng)度無(wú)法兼得。2013年清華大學(xué)魏飛教授研究團(tuán)隊(duì)成功制備了半米長(zhǎng)度的碳納米管，當(dāng)時(shí)該團(tuán)隊(duì)提出將進(jìn)一步制取千米長(zhǎng)度的碳納米管，這些進(jìn)步為太空電梯帶來(lái)了一線曙光。然而10年過(guò)去了，仍沒(méi)有更長(zhǎng)的碳納米管制備成功的報(bào)道。太空電梯最關(guān)鍵的纜繩材料，技術(shù)門檻仍難以跨越。

碳納米管（CNTs）的出現(xiàn)為建造太空電梯帶來(lái)了希望，但技術(shù)發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

碳納米管材料作為太空電梯的纜繩，還面臨很多其他障礙。比如耐久性，姑且不說(shuō)巨大的拉力下碳納米管多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)出現(xiàn)疲勞和斷裂，光是外界環(huán)境帶來(lái)的腐蝕就讓人頭痛。日本著名建筑公司大林組曾宣布要建設(shè)太空電梯，并于2015年把碳納米管材料送上國(guó)際空間站進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高空大氣的原子氧對(duì)碳納米管樣品的腐蝕極為嚴(yán)重。雖然大氣層內(nèi)包括氧氣都沒(méi)有原子態(tài)氧的強(qiáng)腐蝕能力，但它們?nèi)詴?huì)腐蝕碳納米管，造成纜繩強(qiáng)度降低，帶來(lái)巨大的安全隱患。

總而言之，太空電梯對(duì)材料等各方面提出了極為嚴(yán)苛的要求，巨大的技術(shù)難度，讓太空電梯的建造遙不可及。但是我們相信，有那么一群人，不會(huì)放棄努力。

希望在我們的有生之年，能夠看到這樣的天梯，拔地而起，直通云霄，實(shí)現(xiàn)人類大規(guī)模進(jìn)入太空的宏愿！