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“太空电梯”到底可不可行?换多少名头都不行

发布时间:2019-09-18 16:00:11 来源:粤港澳生活网综合 责任编辑:李雨晴

  出品:科普中国pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  制作:太空精酿pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  监制:中国科学院计算机网络信息中心pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2019年8月25日,一篇上传到论文预印本arXiv网站上文章表示,“太空电梯”在技术上和经济上具备可行性,大约只需要10亿美元成本,就可以打造这样一部“月球太空电梯”。论文中提到的新型太空电梯(Spacelin)实际上是一条长达32万公里的电缆,一头固定在月球上,另一头指向地球上方,可能位于距离地球27000英里的轨道上。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  该论文准备投往期刊《宇航学报》(Acta  Astronautica)。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  图片来源:arxiv.org 论文截图pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  “太空电梯”的概念一直只存在于想象和文学作品中,是个很完美的科幻概念,早在人类火箭之父齐奥尔科夫斯基年代他就已经提出了这个美好的设想:普通人能像乘坐电梯一样,借助一根连接天地的绳缆,自由且低成本往返太空。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  然而,文章中提到的太空电梯到底可不可行?pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  美好的太空电梯想象图 图片来源:NASApe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  先谈这篇论文的设想,由于月球的相对运动,线缆无法固定在地球表面,所以电缆一头固定在月球上,另一头指向地球上方,可能位于距离地球上空接近同步轨道的高度上,这里是绝大多数通讯卫星所在地:围绕地球自转速度恰好等于地球一天,因而相对地面而言静止或同步。这个方案跟此前太空电梯必须将重心放在地球同步轨道上的设定有所区别。但这就意味着一系列新问题。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  例如,文章并未考虑从月球开始建设的运输费用成本。而这个费用是实打实的惊人。阿波罗登月计划时期,共计消耗了约2000亿美元,仅运输了6次任务、总重不到100吨物资抵达月球表面。而如果建立一个从月球到地球附近、长达30余万千米的大型稳定结构,势必意味着月球端巨大的建设消耗。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  举个例子:南京长江大桥主桥长约1600米,在如今的中国“鬼斧神工”基建面前仅是个小不点,但它用来承重的大型钢缆就重达上万吨。可以想像如果在月球建设,这个费用会有多么惊人!pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  此外,靠近地球这一端很难保持位置稳定。在这个高度,即便是一颗采用离子电推进的通信卫星,依然要持续不断工作以对抗地球非严格球形引力摄动、太阳光压、地球反照压、日月金木火等星体引力等影响,工作寿命仅在10年左右。而对于这么大型的结构,势必无法控制,甚至是地球附近最宝贵的地球静止轨道上所有卫星的潜在灾难。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  而按照设想,载荷需要先发射到靠近地球这一端,再通过太阳能缓慢移动到月球附近。先不评价靠效率如此低的太阳能走完连光速都需要1秒的距离(30万千米,地球赤道7.5圈!)需要多久,单纯发射到地球静止轨道的费用就让人震惊。目前人类到达这个轨道的通信卫星最重约7吨,但代价是数亿美元的花费。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  实现跟一个完全无控的巨大钢缆对接难度更是不可思议。即便是距离地球上空几百千米的、两个可控航天器空间交会对接任务,全世界能掌握的国家仅1只手可以数过!pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  论文中还提到,最简单版的Spaceline 线缆可能或不会超过88000磅,并不需要用碳基材料不可,Kevlar或其他现有材料制成就可以完成。然而,这并不现实。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  因为被绷紧的缆绳需要承受巨大的应力,可行的材料仍然是碳基材料。但它仅是实验室中存在的材料无法量产,科学家们只能制造出极微量的实验品,而花费是天价。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  即便是碳纳米管,它的长径比也在1000:1级别(对比普通材料20:1已有极大提升),对比太空电梯的超长缆绳要求依然不够。当长度为30万千米时,宽度会到多么不可思议的级别!pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  不仅强度问题,绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球/月球运动速度不同,受到的切向应力也不大不相同,人类尚无一种灵活的材料能实现这些要求。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  铺天盖地的新闻 图片来源:百度pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  这不禁让人想起另一个更接近真实情况的“太空电梯”:2018年9月14日,日本宇宙航空研发机构JAXA将在种子岛太空中心用H-IIB火箭发射第七艘前往国际空间站的货运飞船HTV-7,这是现役世界第一重的货运飞船,可达16.5吨。不过显然它并没有多少读者注意,反而被一个“世界首个太空电梯即将发射”的新闻抢了头条,国内外的小媒体上到处都是。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite - Miniature Elevator,STARS-Me),这已经是STARS实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称,它真正的功能并非如此,真相如下。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  1.HTV夹带的货物pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  日本已经执行了六次国际空间站的货运任务、且JAXA拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。HTV可以运送重达6.2吨的货物,远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨,在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次HTV-7任务就额外携带了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三个技术验证卫星。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  2.系留卫星pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  STARS系列任务都用来验证一种空间应用的技术:系留卫星,或者系绳卫星。它的原理是通过用绳缆从母卫星释放一颗子卫星、或者双星进行伴飞,能自由释放、收回并重复使用,实现各种科学和工程研究目标,先后有香川大学、静冈大学等参与。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

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  STARS-Me任务艺术构想图 图片来源:静冈大学pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  STARS的特色在于低成本的微小卫星编队:两颗微小、犹如魔方大小(10厘米边长的1U立方形)的卫星通过一根约10米的细钢缆相连。这次的-Me任务之所以叫做迷你电梯,是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动,视觉上有一种“电梯”的效果,因而得名,但可以确定的是这跟太空电梯的理念毫无关系。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  3.到底是做什么的?pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  STARS-Me任务由静冈大学主要负责研发。毕竟只是两个卫星加一起几千克的极小任务,它的真实作用还是基本的技术验证和教育教学,主要关于通过无线电信号接收辅助判断卫星状态:两颗卫星都能直接与地面通信,它们之间的距离和姿态会导致信号接收出现细微的偏差,在地面的接收站可以通过两股信号的多普勒频移、比特率、信噪比对比等反推这个小型编队的姿态和距离信息。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  中间的“电梯厢”(6*3*3厘米尺寸,比鸡蛋还小)带有蓝牙功能,能够通过其中一颗卫星与地面通信,也会出现在两颗卫星的互拍中。它也能够在绳缆上缓慢移动,作为测试任务的额外标的,也能验证双星+滑块的技术可行性,从这个角度的确是世界首例,但它的更科学叫法应该叫做滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务,跟大家想象中的“黑科技”相距甚远。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  4.宣传作用pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  毫无疑问,太空电梯是个大大的噱头,引发了全世界关注,也引出了每个新闻稿里都会出现的大林组建设公司。作为日本最大的房地产企业,大林组造了无数日本的摩天大楼,太空电梯概念一直以来是他们宣传的重要方向。部分资助这么一个大学里的小型科研项目并不昂贵,却收获到了万千读者的关注,可谓是一次成功的品牌曝光。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  其实,NASA曾经做过一些预研究,最终全部放弃。谷歌著名的X实验室,曾经研究过太空电梯可行性,最终宣布放弃,因为它的技术难度“远远超过了人类现有技术水平”。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  更何况,人类航天已经愈发成熟,随着可回收运载器和航天器的快速研发,尤其是商业航天的加入,航天成本也在迅速降低,太空电梯最吸引人的“价格优势”并不存在。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  因而,历次报道“太空电梯”大新闻的媒体,大概像把壁虎吹作剑齿虎一样。pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  以上,别闹了,大家还是老老实实支持可控核聚变这种靠谱的技术吧,改变人类全靠它了(手动滑稽)!pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)pe7粤港澳生活网_品味粤港澳大湾区生活

责任编辑: 李雨晴

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