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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 ...

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online_member 发表于 2023-3-16 19:24:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
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 ...
online_member 发表于 2023-3-16 19:24:56 | 显示全部楼层
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。
online_member 发表于 2023-3-16 19:25:27 | 显示全部楼层
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 ...777 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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



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 ...947 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...543 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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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。

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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。

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(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。

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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)

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(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。

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(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。

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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。

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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。

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(计算公式)

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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。

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(流浪地球2中的平顶轿厢)

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(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。

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 ...852 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...626 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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(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。

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 ...191 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...561 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404

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 ...694 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404

(流浪地球中的配重设计)

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(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。

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 ...62 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...982 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404

(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。

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 ...814 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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)。

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 ...786 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...347 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。

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 ...908 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404

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 ...970 / 作者:哗中 / 帖子ID:115404
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。
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