52-57 《流浪地球2》中航天技术的虚与实_张晨.pdf

博览文/张晨流浪地球 2中 航天技术的虚与实春节期间，科幻电影流浪地球 2在全国各大影院上映，为观众呈现了一场科技感十足的视觉盛宴，也收获了上佳的票房成绩。影片内容涉及相当多的航天技术和概念，其中一些是已经实现了的，还有一些是未来可能实现的，可谓有虚有实。电影流浪地球 2宣传海报52|2023.03 SPACE EXPLORATION博览太空电梯流浪地球 2是首部完整而详细展示“太空电梯”这个概念的中国电影。在电影中，联合政府在非洲加蓬共和国的大西洋海岸上建造了“移山计划”一号行星发动机试验机和一座高达 9 万千米的太空电梯，借助太空电梯强大的运力以快速建造方舟号国际空间站。这座太空电梯的核心是位于静止轨道上的太空电梯船坞，方舟号国际空间站就在这里组装。同时电梯还包括位于 9 万千米高度的配重和海面上直径 3 千米的基座。9 座轿厢由 216根碳纳米管缆绳牵引，以快速往来于地面和空间站之间。这是人类历史上最高的建筑，是新时代的“巴别塔”。说到太空电梯，一些人会想到古巴比伦的“巴别塔”，也有人会想到现在位于阿拉伯联合酋长国迪拜市的哈里发塔。实际上太空电梯最早的提出者是人类航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基，他在参观法国巴黎的埃菲尔铁塔时想到了这一点。但这些建筑实在是太矮了。目前地球上最高的建筑哈里发塔，也只有区区 828 米。流浪地球 2中的太空电梯的高度是它的 10 万倍。如果我们仍然像建造一栋楼一样从地面往上爬，则这栋楼很快就会被自重压垮。那怎么办呢？实际上太空电梯并不是一栋楼，而是一颗尺寸达到 9 万千米的卫星，确保太空电梯的重心位于静止轨道上。既然无法直接从地面向上建设，那么能否从静止轨道开始建造，保证重心持续位于静止轨道上呢？由于重力的递减速度远快于离心力增加的速度，那么在太空电梯 9万千米的远端，必定会受到巨大的离心力。如果使用钢材来建造太空电梯的话，在其远端对材料的抗拉强度需求将达到恐怖的 400 吉帕，但是钢只有 400 兆帕，差了 3 个数量级！那么就没办法了吗？太空电梯末端的离心力取决于本身的质量，如果降低材料的质量，提升抗拉强度（提升比强度），那么就可以实现了。说得简单，目前人类发现的材料中能满足如此恐怖需求的只有一种叫做碳纳米管的材料。如果使用碳纳米管建造太空电梯的话，需要的抗拉强度“只有”80 吉帕，而人类目前在实验室中合成的碳纳米管抗拉强度已经达到了 200 吉帕，看上去曙光即将到来但那可是 9 万千米的碳纳米管缆绳啊，是中国目前现有运营高速铁路总里程（截止至 2022 年底为 4.2 万千米）的 2 倍。但是在现实中，最初生产出来的碳纳米管都只有几个微米的长度，并且充满了结构缺陷理想状态下碳纳米管是完全由单层的碳原子卷曲形成的，而结构缺陷会极大的降低碳纳米管的性能。不过在 2013 年的时候，清华大学生产出了半米长、结构完美的碳纳米管材料，目前他们正在突破千米量级，预计达到 9 万千米应该只是时间 太空电梯示意图SPACE EXPLORATION 2023.03|53 博览问题。太空电梯建设的初衷是为了摆脱对化学火箭的依赖，快速而低成本地从地表出发抵达太空。流浪地球 2中的太空电梯虽然没有披露上下行时间，但其乘坐时超过 9 个g的加速度仍然是令人疑惑的。在同为刘慈欣创作的的著名科幻小说三体 3死神永生中的太空电梯需要 20 多个小时抵达静止轨道站。它的加速就很平稳。同样的，如果仔细观察流浪地球 2中的太空电梯的话，它四角的 8 台发动机无疑是最醒目的。但是，如果都能建造一座巨大的太空电梯了，为什么还要使用化学动力呢？实际上这座太空电梯是一座军用电梯，并不考虑舒适度，而是要尽量压缩太空旅行的时间，以加快建造方舟号国际空间站的进程。因此恐怖的加速度只是它的一部分。这座电梯使用了三阶段加速。首先通过电磁弹射将轿厢发射出去，同时 8 台组合动力发动机同时点火，以巨大的加速度将电梯加到极高的速度使得其冲出大气层。在大气层之外，从静止轨道空间站船坞上垂下来的电磁牵引装置会抓住轿厢并且继续进行 流浪地球 2中的空间站船坞来自流浪地球 2 剧组发布的设定集 流浪地球 2方舟号国际空间站54|2023.03 SPACE EXPLORATION博览提升。太空电梯轿厢顶部还设计有 4座反推发动机。如此复杂的设计正是为了满足高速往返的需要，乘坐这座太空电梯需要的体质甚至远超现有航天员，因为目前过载最大的我国载人运载火箭长征二号 F/G 也只有 5.4 个g的最大过载，未经过训练的普通人乘坐该电梯会被巨大的过载压在座椅上，然后晕厥。这也是要穿抗荷服的原因所在。以我们现有的技术，能否制造这座超级建筑呢？答案是否定的。实际上，人类目前完全无法建设这样一座太空电梯。如果我们真的到了可以生产出 9 万千米的碳纳米管缆绳的时候，或许已经不需要太空电梯了。抛开前面提到的问题，还有一系列新的问题。首先，来自近地轨道空间弥散的原子氧，会对太空电梯的缆绳造成极大的损坏。我们现在可以看到一些运行了很久的航天器表面老化，就是来自于原子氧的腐蚀，而太空电梯使用的碳纳米管更加脆弱。在国际空间站进行的站外实验中，仅仅 2 年内暴露试验中的碳纳米管就被打得支离破碎，而太空电梯的缆绳一旦断裂，断裂点上半部分的结构就会永远的飘离地球。这还不是最大的问题，实际上太空电梯最大的问题来自于对于一个长达 9 万千米的半刚性物体的控制。当轿厢高速运行在电梯上时，其产生的科里奥利力完全施加在太空电梯上，给予其一个剪切力。这种力会使得碳纳米管弯曲形成一种类似悬链线的结构，然后就把整座电梯拉下来了。无论是光压还是太阳风都会强烈影响电梯的姿态，同时轿厢上下移动会少量改变电梯的质心分布，放大到整个尺度来看将是致命的。无论是移动顶部配重还是安排单独的移动配重都会进一步增加系统的复杂度，况且这些移动带来的振荡会使得整座电梯变成巨大的扭动的一条蛇，为了补偿这些振荡需要安装大量的推力器组。为太空电梯写控制率的人，或许要得个数学领域最高奖“菲尔兹奖”才能补偿。在建造太空电梯的时候，第一根缆绳的布设就是一个难到几乎无法实现的工程。拖着一根绳子从静止轨道垂直往下飞到地面，同时要将另一根绳子垂直向上布设，这一点对于目前的人类航天技术来说还是太超前了。总而言之，虽然太空电梯是人类历史上最高的宏伟建筑，但目前是完全无法实现的。而当人类的技术真的达到了足够的高度以建造它的时候，人类应该已经不需要它了。太阳风暴流浪地球 2中有这样一幕场景：在准备进行月球发动机点火试验的时候，一场强烈的 Z9 级太阳风暴来袭，而人类的所有太阳风暴预警系统都没有作出反应。强烈的高能太阳质子风暴席卷月面，摧毁了原计划用于进行发动机点火控制的 550C 智能量子计算机。日冕物质抛射图SPACE EXPLORATION 2023.03|55 博览太阳并不是平静的等离子体团，其内部充满了强烈的等离子体风暴，包括太阳黑子和日珥这些相对平淡的太阳活动，和一系列强烈的太阳活动。其中能影响到地球的太阳风暴包括耀斑、日冕物质抛射、地磁暴和太阳质子事件，日冕物质抛射和太阳质子事件中的太阳风粒子速度可达到 750 千米/秒，能量则覆盖 10 兆电子伏到数十吉电子伏。我们在地面上很难感受到来自太阳的影响，是因为地球磁场和大气层拦住了它们。地球的磁层形成一个巨大的离子鞘，将大部分来自太阳的射线阻拦在外。但它并不是无所不能的。1989 年 3 月的特大太阳质子事件是人类航天史上最强烈的太阳活动，而在此之前的 1859 年太阳风暴使得强烈的高能粒子猛烈轰击地球磁层，极光蔓延到了赤道附近。如果一次极其强烈的日冕物质抛射击中地球的话，所有的电子设备都会被高能带电粒子毁灭，某种意义上人类将退化到蒸汽时代。对于月球，其并不位于地球磁层的保护内，太阳风暴的高能粒子会不受阻碍地直接冲击月球表面，因此月球基地需要极厚的防护层以屏蔽太阳粒子和银河高能射线。如果全部使用金属屏蔽（比如铅版）的话会导致基地结构很重，目前常常考虑的设计是将基地埋入地下，利用岩层作为辐射屏蔽，或者直接在地下熔岩管道中建设基地。太阳风暴虽然强烈，但并不是无法预测。目前人类已经建立了足够完备的太阳风暴预警设施包括接近太阳的帕克太阳探测器和太阳轨道器；地球轨道附近的日地关系天文台；日地 L1 点上的太阳和日光层天文台、先“夸父一号”先进天基太阳天文台卫星 曦和太阳探测卫星 未来的月球基地概念图56|2023.03 SPACE EXPLORATION博览进综合探测器、WIND 卫星和深空气象天文台；地球静止轨道上一系列以地球静止环境业务卫星的太阳观测载荷为主的静止轨道太阳监视系统，还有位于太阳同步轨道上可以持续观测太阳的中国“羲和号”和“夸父号”太阳探测器。这些设备可从全方位探测太阳表面的情况，在太阳表面有活动迹象的时候提供预警，并且在速度较低的粒子抵达探测器的时候发出警报。我国计划在日地 L5（位于地球公转轨道上且落后于地球 60）的位置发射探测器，由于太阳表面自转的速度比地球公转的角速度要快，在这个位置的探测器将提前“看到”几天后将对准地球的区域，通过观测该区域以提前在太阳风暴将发生的时候感知并且发出预警。巡天望远镜影片中逐月计划失败后，月球将在太阳 7 天内坠落至地球。当时联合政府的控制站使用巡天望远镜，也就是中国的空间站望远镜（CSST）观察月球。中国空间站望远镜是我国首个大型空间科学装置，计划于 2024 年由长征五号 B 火箭发射升空。中国空间站望远镜发射质量达 15500 千克，最大包络 4.2 米，采用一台 2 米口径离轴光学系统，使用控制力矩陀螺稳定平台。虽然该项目常常被称为“中国哈勃”，但实际上中国空间站望远镜和哈勃空间望远镜并非同类，而是和“欧几里得”望远镜，“南希格蕾丝罗曼”望远镜一样属于巡天望远镜。这一系列望远镜并不追求高焦距以获得较为精细的角分辨率，而是通过大视场以快速扫视天区，及时获取天象活动的信息。如果时间允许，再调用角分辨率高但视场小的望远镜进行精细观测。中国空间站望远镜配置有 5 台仪器：多色成像和无缝光谱巡天模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪、系外行星成像星冕仪、高灵敏度太赫兹模块。逐月计划失败的时候为什么中国空间站望远镜仍然在使用？其实这很正常。空间望远镜是非常昂贵且复杂的系统，并不会在达到预定寿命后就放弃，而是会持续使用。中国空间站望远镜可以与中国空 中国巡天望远镜示意图间站交会对接以补加燃料，理论上具备更换后端仪器和转折镜的能力，其成像仪器的性能可以在发射后通过在轨服务的模式得到较大提升。因此与无论是哈勃空间望远镜还是远在日地L2 的詹姆斯韦伯望远镜，或未来的南希格蕾丝罗曼望远镜比，其可维护性都更高。科幻电影的效果在某种程度上反映了一个国家的工业技术水平和思想观念，而解读一部好的科幻电影则可以使得我们进行更加深入的思考。刘慈欣的科幻作品更像是对现实在未来的一种隐喻，而流浪地球 2中无论是爱、希望还是责任，都代表了我们在灾难当下的观念。危难当头，唯有责任，流浪地球 2担负起了中国科幻电影走向世界的重任。而未来无论是思想的升华还是技术的发展，都或多或少会来自于一些早期的想法。科幻给我们带来的不只是幻想，一些想法真正地应用在了当下（如静止轨道通信卫星），带动了航天技术的发展。而技术的进步又促进我们产生新的想法，这是一个相辅相成的过程。责任编辑：陈彩连SPACE EXPLORATION 2023.03|57