从合理性出发，流浪地球和三体动画的太空电梯哪个更好实现 ...

我要学扬琴逗

从合理性出发，流浪地球和三体动画的太空电梯哪个更好实现 ...

阳光469

这俩玩意儿都不合理，一个都实现不了……
最合理最可能实现的是《我的三体》里面那个太空电梯。

哗中

一张对比图，让本就风评不好的三体动画雪上加霜。
相比科幻感十足的流球2，三体动画的太空电梯被降维打击，遭到群嘲。喜提太空高铁，钢制鼠标，过山车等外号。
那么就以这张图展开谈谈：从合理性出发，《流浪地球》和《三体动画》中的太空电梯哪个更好实现？三体动画里的天空电梯，到底是假科幻，还是真科学？
太空电梯缘起




设想：最早来自于航天之父—齐奥尔科夫斯基，他受埃菲尔铁塔的启发，提出在地球静止轨道上建立一个太空城堡，以架设电梯的方式进入外层空间，这是太空电梯的雏形。
科幻作家阿瑟克拉克在小说《天堂之泉》则从技术角度详细描述了构想：太空电梯绕着地心转动，它的主体结构为一根缆绳，一端连接地球赤道，另一端连接地球同步卫星，且缆绳延长线通过地心。


发展：2003年，美国、俄罗斯等多个国家，共计70余名科学家和工程师对太空电梯进行了讨论，他们一致认为太空电梯成在21世纪成为现实指日可待；近些年，NASA、美国电梯港集团、日本大林组等公司均提出过太空电梯的设计方案。
2012年，日本大林组建筑公司宣布建设时速200公里，单程7天，投资成本100亿美元的太空电梯。该项目预计在2025年开工，2050年投入运行。目前，大林组仍验证可使用的缆绳材料。而受限于技术的发展，这一计划至今仍挑战重重，连大林组的高级工程师石川洋二都坦言：越是尝试，就越是困难。
2018年，日本在太空用一根缆绳连接两个小型卫星，完成了迷你版的太空电梯实验，这是人类在这方面的首次实践。
太空电梯优势

相较于火箭运输，太空电梯可以说是最理想的运输方式。相对低廉，安全快速、复用率高都是其不可比拟的优点。目前，火箭仍是进入人类太空的主要工具。但为了克服地球引力，它要携带约占火箭总重量的90％以上的燃料进行推进，这也导致了火箭的载荷空间有限。


另一方面，火箭还有高昂的发射成本。据报道，我国长征-3乙运载火箭每次发射费用为7000万美元，地球转移轨道每公斤发射费用为14000美元，这也促使人们开始研制可重复使用的火箭。美国太空探索技术公司SpaceX CEO埃隆·马斯克就率先开启了火箭回收计划，并在第46次成功回收助推器。目前，现有的火箭回收技术主要有伞降回收、带翼飞回回收、垂直着陆回收三种。


国际宇航科学院秘书长让·米歇尔·康坦表示：“利用太空电梯运输物资，每千克的运输成本约为500美元，比使用运载火箭发射物资进入太空要便宜得多”。同时，太空电梯可以更高效地利用太阳能，减少能喊，降低运载火箭在爆炸喷射时的风险。
因此，太空电梯一旦建成，它将如永动机一般，将航天物资、航天人员，甚至旅游者在内的人员带到太空去，想想就很令人兴奋。
太空电梯的结构

目前世界上对于太空电梯的结构设想，普遍有以下几个共同点：地面基座、缆绳、轿厢、空间站、配重。



（流浪地球太空电梯结构图）

地面基座：目前科学家普遍认为太空电梯在地球上的基座要建在赤道上，只有地球自转角速度相同，太空电梯才能实现正常的上下运输。《流浪地球2》的基座之所以选在加蓬，也是此原因。
加蓬的首都利伯维尔几乎就在赤道上，濒临海洋，方便国际间的货物运输；常年风力弱，地震少，对基座和缆绳影响较小。且空间站位于赤道上方的地球静止轨道上，在这个位置建造电梯不仅可以保证上下位置同步，还可以依靠地球赤道的离心运动产生加速度，与地球重力保持电梯的受力均衡。


动画里太空电梯的则建在凡尔纳岛上，没交代其具体位置，推测应该与原著一样在赤道上。动画版的基座设计也像是在原著的基础上做了调整。增加了一段弧形轨道，用于给运载舱进行起步加速。（涉及到动力系统，下文具体展开）



(凡尔纳岛的太空电梯）

缆绳：连接太空站和地面的缆绳，一端固定在赤道上的基座上，另一端牵扯的是距离地面36000公里的空间站上。且由于自重的原因，还要穿过空间站连接同步轨道上方的配重站。





（流浪地球2太空电梯的缆绳）

这根缆绳看起来简单，实际确是操作最难的地方。它不仅要有足够的强度和韧性，还要承受自身重量以及宇宙中的各种极端环境，如射线，太阳风暴、太空垃圾，陨石。最重要的是价格低廉，能够量产。在此结构下，缆绳需是能够承受极高拉力的材料，尤其是在同步轨道上的拉应力。


而目前的最新研究结果显示，碳纳米管是目前最为坚固的材料。它具有密度小（只有钢的四分之一）、刚度大（能够抵抗变形）、强度高（拉强度是钢铁的100倍，能够达到90-200gpa，物理学家曾测算系揽材料抗压强度要达到100Gpa）、熔点高、化学稳定性好的特点。按5cm粗来计算的话，36000公里长的碳纳米缆绳总重只有148440.6吨。


但碳纳米管的长度一直是未能攻克的世界难题，目前世界上最长的碳纳米管是由清华大学魏飞教授团队制备，也仅有半米多长。而缆绳结构是为天梯轿厢提供升降的轨道，也是配重物提供拉力的渠道。整体受到极强的拉应力。且在同步轨道拉应力最大。



（计算公式）


所以，如何建造超长的纳米管，把重达数万吨的缆绳完整地送上太空，承受住极强的拉应力，这是建造太空电梯必然要面临的重大难题。
回到影视作品中，流球2的缆绳材料没有交待。三体动画中的材料结合三体原著来看，使用的应该是汪淼研发的飞刃纳米丝，60厘米粗的纳米丝从太空垂下时，会因为自重而绷直，绷直产生的力很大，大气气流对它的影响较小，处于可控范围内。这里应该是综合了原著描述和科学原理的选择。
轿厢（电梯舱）：与现代电梯的功能相同，是运载人员与货物的地方。《流浪地球2》的轿厢是平顶型，《三体》动画在三体的原著的基础上，将运载舱从圆柱形的变成了流线型，设计成这样应该都有其考量。



（流浪地球2中的平顶轿厢）



（三体动画轿厢：原著描写&动画表现）

回归到现实，高铁、火箭，汽车的设计主要是流线型，很重要的原因在于要符合空气动力学原理，子弹头的设计可以减少空气阻力。因为速度越高，空气阻力越大，就比如高铁在超高速状态下，其牵引动力几乎都消耗在了与空气的对抗上。


所以想依靠太空电梯实现便捷地运输，除高速这一需求外，还要考虑到能耗问题。因此，三体动画的流线型轿厢是比较符合物理规则的。至于流浪地球中的平顶型设计，在空气动力学上太不科学，或许是为了视觉展示的需要。毕竟这是一部科科学+幻想的作品，中核集团不是也说了“你们尽管想象，我们负责实现”。说不定在未来的某一天，科幻作品中的畅想真就变成了现实。


外观设计万变不离其宗，但载荷空间里的门道儿却大相径庭。《流球2》美术设定中有这么一句话，“发射阶段轿厢的G值是激增的，工作人员要接受强力的抗荷训练”，这其实与上文理念有所冲突。太空电梯的作用除了外太空探索外，常态旅游也是另一用途。据美国《大众科学》杂志，电梯以200千米一小时的速度运动，共花费七天，游客无需预先进行任何训练。



（流浪地球2中太空人员固定在座位上）

配重：太空电梯实是一颗运行于地球同步轨道的人造卫星，由于设置在地球静止轨道的空间站无法承受自重较大的缆绳，所以需要让缆绳穿过空间站并向上延长几万公里，在同步轨道外的更高轨道上，设置配重块。


如果没有配重块，电梯总长度将达到10万千米，还要考虑材料特性、建设难度、外部影响等因素。一方面它是电梯在太空的锚，要维持缆绳的绷直状态，另一方面来平衡太空电梯自身的重力，保证重心不受外力偏移，达到力学上的平衡。





（流浪地球中的配重设计）



（三体动画中的配重：黄河站，在三体原著中，章北海正是在黄河站杀了老航天）

想象虽美好，但现实却很艰难。配重站的难点在于，很难建造出和太空电梯重量平衡的配重物。而且配重物轨道高度如果低，质量就需要足够大。轨道高度越高，所需要的质量越小。除了在太空电梯的顶点建造一个空间站外，有科学家提出也可以直接捕获一个小行星作为轨道配重。不过，人类目前所掌握的技术远达不到此目的。


至此，太空电梯的结构已经十分明晰。当然，对于太空电梯的畅想远不止这一种结构，NASA论文里提到天钩系统和用于地月转移的天梯结构，也是一种基于科学之上的合理畅想。



（低轨道太空电梯，可以把飞船甩出去，甩向地月转移轨道。）

太空电梯的动力系统

想要“组装”完的太空电梯动起来，就要考虑能源供给的问题。《流浪地球2》中使用的是火箭推进的方式，引擎点火，三组发射塔犹如抛石机将轿厢抛上天空。


这里的问题在于，火箭发射其实与建设太空电梯的理念相悖，刘慈欣在二刷流球2针对这个bug就表示“造太空电梯的目的就是为了不用火箭。”太空电梯的存在就在于无需携带大量燃料，以低廉的成本进入太空（上文已有，不过多赘述）。


太空电梯路程漫漫，想要利用电池驱动运行过于困难。也有人提出利用太阳能板，微波的方式进行推进，不过在当代天梯动力设计的研究，电磁推动方式或是更具优势的选择。随着航天事业的发展，电磁悬浮技术已日趋成熟，目前我国的永磁悬浮利用特殊的永磁材料，不需要任何动力支持。


三体动画的太空电梯在符合原著外观描写的基础上，应该也是用了电磁悬浮技术。加速轨道的设计像个威力减小版的电磁炮炮管，给运载舱提供加速度。在运载舱进入垂直上升阶段，也可以理解为此时是纳米丝在持续提供洛伦兹力推动。
通电时，在运载舱的金属表面产生涡流，使其受到一个向上的洛伦兹力作用——提供动力，和一个斥力/远离轨道的力——以实现磁悬浮。动力比重力大，即可实现向上高速运动。下降同理，可以按需调整洛伦兹力大小，实现下降过程中的减速制动、匀速运行。




目前，天梯发射形式主要分为垂直弹射和弧线轨道加速两种。无论是流浪地球里的弹射起步+火箭推进+抓钩的混合动力，还是三体动画的空间悬浮技术，这两种发射方式都符合科学原理。如果说区别，大概是在人的作用上，一个起步G力最大为9G，6小时到达9万公里高度；另一个起步G力较低（2G左右），约68小时抵达地球同步轨道。
结语

总之，两部影视作品的太空电梯都有其自身的合理性。自太空电梯的想法提出以来，人类至今未能研发出一部真正的太空电梯，所有的理论都是基于当代科学基础上的合理幻想，因此无论是合理的还是不合理地地方，或许随着技术的飞跃，都能成为合理地存在。