杨博士专刊 | 太空电梯可行性研究之一（构想与误解）

看完《流浪地球2》电影，又看到网上对太空电梯的一些所谓“科学”讨论，很想写一下太空电梯的不可行性研究。但仔细想了想，哪次科学进步不是从不可能开始的呢？采用科学方法研究一下太空电梯的可行性和关键技术，将是建设性的，增加认知进步和微小的实现可能性不也是有益的吗？

太空电梯构想

太空电梯概念最早由苏联“航天之父”、著名火箭专家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin E. Tsiolkovsky，1857~1935年）提出。科幻作家亚瑟·查尔斯·克拉克（Arthur Charles Clarke）在《天堂的喷泉》（The Fountains of Paradise, 1979年, 雨果奖，星云奖）中曾对太空电梯进行过描写。1999年美国宇航局马歇尔中心的先进办公室发表了《天梯：太空的先进基础设施》。2004年在华盛顿召开的第三届国际天梯会议上，专家们对天梯这一宏伟构想进行了探讨。2005年美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。（上述信息来源于网络，未经详细核实）

太空电梯的构想大概如下：在地球静止轨道附近建设一座太空城，与地面用缆绳连接起来，成为向太空运输人和物的捷径。

太空电梯的实现目的

建设太空电梯的目的是相对发射火箭大幅节省向太空运送有效载荷的费用。目前国际空间站质量420吨（最多可载13人），中国空间站质量180吨（最多可载6人），所以未来空间站或宇宙飞船可按人均质量30吨左右计算，《流浪地球》小说中的“极乐世界”号宇宙飞船可以装载60000人，其质量应在180万吨左右。目前采用火箭发射每公斤有效载荷约需2万美元左右，若以火箭发射方式建设“极乐世界”号宇宙飞船，发射费用将达到36万亿美元，2022年中国GDP18万亿美元，也就是说需要相当于2年中国GDP的费用才能完成“极乐世界”号宇宙飞船的发射任务，可见以火箭发射方式建设超大型宇宙飞船将耗费多么惊人。而如果可以建成太空电梯，则运送每公斤有效载荷的费用将有望降低到10美元以下，吸引力巨大。

对太空电梯的误解

看到一些对太空电梯的讨论，误区很多，距离真正的科学认知还有较大差距，大概总结如下：

1) 太空电梯可以用火箭推动桥箱。《流浪地球2》中的太空电梯桥箱是用火箭推进的，没忍住在电影院里违和地笑出了声。呵呵，要是用火箭推动，那还建设太空电梯干嘛？视觉效果确实很震撼，但电影科学顾问们实在是有些失职，电梯的基本运送原理是让一个配重质量下降、才能拉着另一个基本对等质量的有效载荷上升。

2) 太空电梯理论上完全可行。太空电梯的建设和运行不但涉及到众多复杂技术问题，更应符合基本物理学概念，而这后一点至关重要，后期文章会有所讨论，太空电梯可不是如想当然的那样理论上一定具有可行性。

3) 太空电梯的关键难题是缆绳材料强度问题。太空电梯的关键科学技术问题可不止缆绳材料强度问题，有众多关键性技术问题需要攻克，缺一不可。

太空电梯的关键技术

建设太空电梯，大概会涉及到如下关键技术：

1) 太空电梯基本概念设计

2) 顶部配重质量确定与获得方式

3) 拉索材料强度与长度方向截面大小确定

4) 顶部配重质心位置、共同质心位置的确定与稳定安全冗余控制

5) 拉索与桥箱等风作用影响分析

6) 拉索顶底部基础形式与安全度分析

7) 太空电梯的运行关键技术

8) 太空电梯失效后破坏力分析

9) 太空电梯建设与使用的经济性分析

10) 太空电梯的拆除关键技术

上述每一项太空电梯关键技术都具有极高难度，都是对人类科学技术极限的挑战，并可以籍此让人类科技有所突破。

总结

太空电梯概念的提出者齐奥尔科夫斯基有过一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。'正因为具备不断探索的精神，我们才一次次将一件件不可能的想象变成了现实！

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