太空電梯節省多少成本？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行場景令人震撼：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輸到廣袤遼闊的太空，將人類的理想與希望播撒到浩瀚無垠的宇宙。

在電影的背景設定中，人類之所以能探索宇宙，得益于人類在交通運輸領域取得的巨大突破——太空軌道電梯的理論完善與實際應用，使得人類向太空的運輸人員和貨物的交通運輸成本大幅降低，才使得人類有可能短時間內建立龐大的“方舟號”空間站，拉開了“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輸到宇宙空間的解決方案。太空軌道電梯也是一個多學科交叉的前沿領域，它涉及到交通運輸、交通工程、交通設備與控制工程、軌道交通電氣與控制等多個交通專業領域。

太空電梯理論的創始人由素有“俄羅斯航天之父”?美譽的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基于1895年提出。在他的構想中若人類想探索宇宙，則需要大量的交通往來以及更加低廉的運輸成本，而傳統的噴氣式火箭根據齊奧爾科夫斯基火箭方程（Tsiolkovsky?rocket?equation）（又稱理想火箭方程）的計算，化學火箭燃料質量占總飛行器總質量的比例越大飛行器才能飛得越遠，因為若想達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火箭燃料本身自重所帶來的影響，這將極大地增加交通運輸成本。

在齊奧爾科夫斯基設計構想中，如果在地面上建造一座上百公里高的電梯，通過電磁力驅動運輸人員和貨物到外太空，就不需要攜帶傳統的既貴又重的化學火箭燃料來推動航天器升空了，這將極大地提升有效載荷在總載荷中的占比，節約一筆為運輸燃料本身而消耗的燃料費，進而大大壓縮運輸成本。這種太空軌道電梯設計被稱為第一代太空軌道電梯。

你可以將它理解為“巴別塔”。西方傳說中，人類為了通往天堂聯合起來修建高塔。為了阻止人類的計劃，上帝讓人類說不同的語言，使人類相互之間不能溝通，計劃因此失敗，人類自此各散東西。

因為這種理想的設計方案終究無法執行，即使上帝不加以阻撓，人類也無法通過傳統電梯的形式登天。因為要受到材料自重和材料力學性質的限制，以及地基有自身的承重要求，就像我們平時吃豆腐扣碗，你用豆腐塊壘個扣碗穩穩當當，但是要想像積木一樣把豆腐塊壘坐塔就不太現實了，因為塔一高下面的豆腐就被上面的豆腐壓爛了，會導致整體結構的穩定性失效，進而發生垮塌。若想制造太空軌道電梯則需要更加精妙的構思。齊奧爾科夫斯基最初的設計構想在很長一段時間都被交通運輸學家擱置了。

第二代太空軌道電梯

隨著科技的發展，新的太空軌道電梯的設計概念應運而生：

人們發現材料的抗拉伸能力遠遠超過它的抗壓能力，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問題轉化為抗拉伸問題，大大地減少工程難度，增加實際的可行性。

同時在行星自轉時有一個軌道被稱為同步軌道，地球的同步軌道大約距地面3.6萬千米，在此軌道上運行的物體，其自轉周期與所環繞物體的平均旋轉周期不僅相同，并且其運行方向也一致。如果在此發射一顆人造衛星，此時衛星的飛行速度剛好能與地球自轉保持同步，處于相對靜止狀態。所以只要從此衛星上垂下一根堅固的纜繩直垂地表即可構建出新型的太空軌道電梯，這種太空軌道電梯設計被稱為第二代太空軌道電梯。

第二代太空軌道電梯由四個部分組成，自上而下的結構分別為：

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

2.纜繩：是目前太空軌道電梯實現需要攻堅的最大困難所在。因為纜繩至少要長3.6萬千米，一根合格的太空電梯纜繩不但足夠大的強度，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計得上粗下細，用于連接地面與平衡錘。

3.貨艙：用于運輸人員和貨物，它可以順著纜繩通過電磁力在平衡錘與近地端基地之間上下移動。在電影《流浪地球2》中為了視覺效果和藝術表達，為貨艙增加了四個使用化學燃料的火箭推進器。

4.近地端基地：為避免受到臺風暴雨等氣候因素的影響，理想的近地端基地會被設置在平流層，而不是我們直覺想象中的直達地面，這樣不僅能避免氣象環境所帶來的影響，還能避免因設備下墜擠壓其原有結構發生垮塌。

值得注意的是：由于纜繩過長其自身重量不可忽略，為保持平衡需要將整個系統總重心設置在同步軌道上，因此平衡錘應設置在同步軌道外圍，高于一般同步軌道衛星。

太空軌道電梯的優勢

除了上述節省運輸成本等優勢，太空軌道電梯還有如下優點：

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，實現低速航空，使得通往太空的人類不必需要人人具有宇航員般的超強身體素質來對抗過載帶來的超負荷。

太空電梯還能被當作一個發射系統來使用，因為太空軌道電梯如同步衛星般隨著地球旋轉，而越高的地方速度越快，所以將航天器從地面運送到大氣層外足夠高的地方，只要一點加速度就可以達到第二宇宙速度11.2?千米/秒向太陽系內其他星球起航了。

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，但是這樣高風險、高成本、有條件、有限重，還需要過江人員具有高超的駕駛技術與過硬的身體素質。而建設一座跨江大橋，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現低成本交通運輸的可行方案。

太空軌道電梯到底節省了多少交通運輸成本

目前國際商業衛星發射每千克荷載的運輸成本約2.5萬～4萬美元之間。馬斯克的SpaceX公司所生產的獵鷹9近地軌道衛星發射每千克荷載的運輸報價5000美元左右，我國長征系列衛星發射每千克荷載的運輸成本1萬美元左右。而經日本建設公司大林組預估，太空電梯建成后，每千克荷載的運輸成本約為200美元。節省傳統運輸模式99%的交通運輸成本。

與此同時，太空軌道電梯的建立還可以使交通運輸產業實現規模效應進一步降低運輸成本，刺激交通運輸業，反哺交通運輸領域取得新的突破！

不過，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，是現實中最接近理想材料的材料。中國在此領域的研究處于世界領先水平，北京交通大學陳征教授正是此領域的專家。

除此之外，纜繩垂天而下，為與地面基站保持同步，頂端平衡錘的移動速度將會達到一個恐怖的數字，這種速度下整個系統所承受的角動量是難以忽視的，以及交通系統的實際應用需要各部門復雜且精巧的配合，各部門之間如何協同？如何分配責任和義務？這些都有待科學家們的下一步設計。

余秋雨在散文《西湖夢》中提到一個故事，明代正德年間一位日本使臣游西湖后寫下一首詩：“昔年曾見此湖圖，不信人間有此湖。今日打從湖上過，畫工還欠費工夫。”或許有一天，當人類真的設計出如科幻電影里這套令人嘆為觀止的系統，回望前人為探索星際交通運輸領域所走的每一步，大概也會由衷感嘆一句：“設計還欠費工夫！”

責任編輯：刁雅琴