太空电梯节省多少成本？至少90%

梁瀚

电影《流浪地球2》中，高耸入云、连接天地的太空电梯运行场景令人震撼：货舱如梭般扶摇直上，将人员和货物源源不断地运往空间站，车水马龙、好不热闹，如同一座“天梯”架起了一条沟通地球与宇宙的交通线。它将人类的文明与智慧运输到广袤辽阔的太空，将人类的理想与希望播撒到浩瀚无垠的宇宙。

在电影的背景设定中，人类之所以能探索宇宙，得益于人类在交通运输领域取得的巨大突破——太空轨道电梯的理论完善与实际应用，使得人类向太空的运输人员和货物的交通运输成本大幅降低，才使得人类有可能短时间内建立庞大的“方舟号”空间站，拉开了“流浪地球”的序幕。

究竟什么是太空轨道电梯？太空轨道电梯的工作原理是什么？它是如何沟通天与地，又是如何降低交通运输成本呢？

什么是太空轨道电梯

太空轨道电梯（Space orbit elevator），又称太空电梯，是一种低成本地将有效载荷从地球或其他星球的表面运输到宇宙空间的解决方案。太空轨道电梯也是一个多学科交叉的前沿领域，它涉及到交通运输、交通工程、交通设备与控制工程、轨道交通电气与控制等多个交通专业领域。

太空电梯理论的创始人由素有“俄罗斯航天之父” 美誉的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1895年提出。在他的构想中若人类想探索宇宙，则需要大量的交通往来以及更加低廉的运输成本，而传统的喷气式火箭根据齐奥尔科夫斯基火箭方程（Tsiolkovsky rocket equation）（又称理想火箭方程）的计算，化学火箭燃料质量占总飞行器总质量的比例越大飞行器才能飞得越远，因为若想达到逃逸速度不仅需要克服有效载荷自身的重力还需要克服航天器和化学火箭燃料本身自重所带来的影响，这将极大地增加交通运输成本。

在齐奥尔科夫斯基设计构想中，如果在地面上建造一座上百公里高的电梯，通过电磁力驱动运输人员和货物到外太空，就不需要携带传统的既贵又重的化学火箭燃料来推动航天器升空了，这将极大地提升有效载荷在总载荷中的占比，节约一笔为运输燃料本身而消耗的燃料费，进而大大压缩运输成本。这种太空轨道电梯设计被称为第一代太空轨道电梯。

你可以将它理解为“巴别塔”。西方传说中，人类为了通往天堂联合起来修建高塔。为了阻止人类的计划，上帝让人类说不同的语言，使人类相互之间不能沟通，计划因此失败，人类自此各散东西。

因为这种理想的设计方案终究无法执行，即使上帝不加以阻挠，人类也无法通过传统电梯的形式登天。因为要受到材料自重和材料力学性质的限制，以及地基有自身的承重要求，就像我们平时吃豆腐扣碗，你用豆腐块垒个扣碗稳稳当当，但是要想像积木一样把豆腐块垒坐塔就不太现实了，因为塔一高下面的豆腐就被上面的豆腐压烂了，会导致整体结构的稳定性失效，进而发生垮塌。若想制造太空轨道电梯则需要更加精妙的构思。齐奥尔科夫斯基最初的设计构想在很长一段时间都被交通运输学家搁置了。

第二代太空轨道电梯

随着科技的发展，新的太空轨道电梯的设计概念应运而生：

人们发现材料的抗拉伸能力远远超过它的抗压能力，就像人很容易将一根铁丝压弯，但很难将其拉断一般，如果能有一颗巨大的人造卫星将缆绳从太空中垂下，货舱顺缆绳攀爬而上，就可以完美地将抗压问题转化为抗拉伸问题，大大地减少工程难度，增加实际的可行性。

同时在行星自转时有一个轨道被称为同步轨道，地球的同步轨道大约距地面3.6万千米，在此轨道上运行的物体，其自转周期与所环绕物体的平均旋转周期不仅相同，并且其运行方向也一致。如果在此发射一颗人造卫星，此时卫星的飞行速度刚好能与地球自转保持同步，处于相对静止状态。所以只要从此卫星上垂下一根坚固的缆绳直垂地表即可构建出新型的太空轨道电梯，这种太空轨道电梯设计被称为第二代太空轨道电梯。

第二代太空轨道电梯由四个部分组成，自上而下的结构分别为：

1.平衡锤：起到配重的作用。在电影《流浪地球2》中“方舟号”空间站充当着平衡锤的作用。

2.缆绳：是目前太空轨道电梯实现需要攻坚的最大困难所在。因为缆绳至少要长3.6万千米，一根合格的太空电梯缆绳不但足够大的强度，而且还需要考虑材料在极端条件下的服役性能。且要受自身重力作用的影响因此被设计得上粗下细，用于连接地面与平衡锤。

3.货舱：用于运输人员和货物，它可以顺着缆绳通过电磁力在平衡锤与近地端基地之间上下移动。在电影《流浪地球2》中为了视觉效果和艺术表达，为货舱增加了四个使用化学燃料的火箭推进器。

4.近地端基地：为避免受到台风暴雨等气候因素的影响，理想的近地端基地会被设置在平流层，而不是我们直觉想象中的直达地面，这样不仅能避免气象环境所带来的影响，还能避免因设备下坠挤压其原有结构发生垮塌。

值得注意的是：由于缆绳过长其自身重量不可忽略，为保持平衡需要将整个系统总重心设置在同步轨道上，因此平衡锤应设置在同步轨道外围，高于一般同步轨道卫星。

太空轨道电梯的优势

除了上述节省运输成本等优势，太空轨道电梯还有如下优点：

太空轨道电梯的货舱可以摆脱第一宇宙速度7.8千米/秒的束缚，实现低速航空，使得通往太空的人类不必需要人人具有宇航员般的超强身体素质来对抗过载带来的超负荷。

太空电梯还能被当作一个发射系统来使用，因为太空轨道电梯如同步卫星般随着地球旋转，而越高的地方速度越快，所以将航天器从地面运送到大气层外足够高的地方，只要一點加速度就可以达到第二宇宙速度11.2 千米/秒向太阳系内其他星球起航了。

总而言之，太空轨道电梯如同一座跨江大桥，在大桥建立之前人们可以使用舢板或者泅渡，但是这样高风险、高成本、有条件、有限重，还需要过江人员具有高超的驾驶技术与过硬的身体素质。而建设一座跨江大桥，虽然需要消耗大量的人力、物力，但一旦建成则是“一桥飞架南北，天堑变通途”，即使是普通人也可以扶老携幼，顺利渡江。太空轨道电梯是人类向宇宙空间实现低成本交通运输的可行方案。

太空轨道电梯到底节省了多少交通运输成本

目前国际商业卫星发射每千克荷载的运输成本约2.5万～4万美元之间。马斯克的SpaceX公司所生产的猎鹰9近地轨道卫星发射每千克荷载的运输报价5000美元左右，我国长征系列卫星发射每千克荷载的运输成本1万美元左右。而经日本建设公司大林组预估，太空电梯建成后，每千克荷载的运输成本约为200美元。节省传统运输模式99%的交通运输成本。

与此同时，太空轨道电梯的建立还可以使交通运输产业实现规模效应进一步降低运输成本，刺激交通运输业，反哺交通运输领域取得新的突破！

不过，若想制造出像电影《流浪地球2》中巨大的太空轨道电梯还需要人类在材料学等方向取得巨大的突破。正如前文所述，一根合格的太空电梯缆绳不但需要足够大的强度，而且还需要考虑材料在极端条件下的服役性能。目前，碳纳米管，一种类似于石墨烯的材料，是现实中最接近理想材料的材料。中国在此领域的研究处于世界领先水平，北京交通大学陈征教授正是此领域的专家。

除此之外，缆绳垂天而下，为与地面基站保持同步，顶端平衡锤的移动速度将会达到一个恐怖的数字，这种速度下整个系统所承受的角动量是难以忽视的，以及交通系统的实际应用需要各部门复杂且精巧的配合，各部门之间如何协同？如何分配责任和义务？这些都有待科学家们的下一步设计。

余秋雨在散文《西湖梦》中提到一个故事，明代正德年间一位日本使臣游西湖后写下一首诗：“昔年曾见此湖图，不信人间有此湖。今日打从湖上过，画工还欠费工夫。”或许有一天，当人类真的设计出如科幻电影里这套令人叹为观止的系统，回望前人为探索星际交通运输领域所走的每一步，大概也会由衷感叹一句：“设计还欠费工夫！”

责任编辑：刁雅琴