太空电梯将发射?可不是你想的那样
发布时间:2018-09-14
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  9月14日,日本宇宙航空研发机构JAXA将在种子岛太空中心用H-IIB火箭发射第七艘前往国际空间站的货运飞船HTV-7,这是现役世界第一重的货运飞船,可达16.5吨。不过显然它并没有多少读者注意,反而被一个“世界首个太空电梯即将发射”的新闻抢了头条,国内外的小媒体上到处都是。

铺天盖地的新闻,图源:百度

  太空电梯是个很完美的科幻概念,早在人类火箭之父齐奥尔科夫斯基年代他就已经提出了这个美好的设想:普通人能像乘坐电梯一样,借助一根连接天地的绳缆,自由且低成本往返太空。

美好的太空电梯想象图,图源:NASA

  报道中提到的所谓太空电梯到底是什么?

  它的全称是空间系留自主机器人卫星-迷你电梯(Space Tethered Autonomous Robotic Satellite - Miniature Elevator,STARS-Me),这已经是STARS实验系列卫星第四次任务。迷你电梯其实是个昵称,它真正的功能并非如此,真相如下。

  1. HTV夹带的货物

  日本已经执行了六次国际空间站的货运任务、且JAXA拥有国际空间站上希望号实验舱、储藏舱、扩展实验舱和机械臂。HTV可以运送重达6.2吨的货物,远超国际空间站货运主力进步号的2.4吨,在执行基本任务需求时夹带一些其他货物也是常态。本次HTV-7任务就额外携带了STARS-Me,SPATIUM-I和RSP-00三个技术验证卫星。

  2. 系留卫星

  STARS系列任务都用来验证一种空间应用的技术:系留卫星,或者系绳卫星。它的原理是通过用绳缆从母卫星释放一颗子卫星、或者双星进行伴飞,能自由释放、收回并重复使用,实现各种科学和工程研究目标,先后有香川大学、静冈大学等参与。

STARS-Me任务艺术构想图,图源:静冈大学

  STARS的特色在于低成本的微小卫星编队:两颗微小、犹如魔方大小(10厘米边长的1U立方形)的卫星通过一根约10米的细钢缆相连。这次的-Me任务之所以叫做迷你电梯,是因为钢缆上还将有一个小滑块可以在钢缆上移动,视觉上有一种“电梯”的效果,因而得名,但可以确定的是这跟太空电梯的理念毫无关系。

  3. 到底是做什么的?

  STARS-Me任务由静冈大学主要负责研发。毕竟只是两个卫星加一起几千克的极小任务,它的真实作用还是基本的技术验证和教育教学,主要关于通过无线电信号接收辅助判断卫星状态:两颗卫星都能直接与地面通信,它们之间的距离和姿态会导致信号接收出现细微的偏差,在地面的接收站可以通过两股信号的多普勒频移、比特率、信噪比对比等反推这个小型编队的姿态和距离信息。

  中间的“电梯厢”(6*3*3厘米尺寸,比鸡蛋还小)带有蓝牙功能,能够通过其中一颗卫星与地面通信,也会出现在两颗卫星的互拍中。它也能够在绳缆上缓慢移动,作为测试任务的额外标的,也能验证双星+滑块的技术可行性,从这个角度的确是世界首例,但它的更科学叫法应该叫做滑块。整体上这个任务只是个实验验证性质的小型任务,跟大家想象中的“黑科技”相距甚远。

  4. 宣传作用

  毫无疑问,太空电梯是个大大的噱头,引发了全世界关注,也引出了每个新闻稿里都会出现的大林组建设公司。作为日本最大的房地产企业,大林组造了无数日本的摩天大楼,太空电梯概念一直以来是他们宣传的重要方向。部分资助这么一个大学里的小型科研项目并不昂贵,却收获到了万千读者的关注,可谓是一次成功的品牌曝光。

  因而,本次报道“太空电梯”大新闻的媒体,大概像把壁虎吹作剑齿虎一样。。。

  那么,太空电梯到底可行么?

太空电梯概念图,图源:Booyabazooka

  直接说答案好了:不可行。随便举出十个原因反驳:

  1. 太空电梯必须将重心放在地球同步轨道上,否则就无法相对地表稳定,这里是绝大多数通讯卫星所在地:围绕地球自转速度恰好等于地球一天,因而相对地面而言静止或同步。这里的高度是35786千米,是摩天大楼电梯高度的数万倍!

  2. 为保证重心在地球同步轨道,在这个轨道外侧(超过地球静止轨道)需要配比一个质量巨大的平衡锤,重量需达到万吨级别。人类目前最强大的火箭仅能运送10-15吨级别载荷到此轨道;

  3. 电梯运行期间会受到各种摄动干扰,为保持重心稳定需要对这个巨大的平衡锤进行灵活控制,它的质量已经远超了人类能控制的航天器极限-国际空间站(420吨);

  4. 被绷紧的缆绳需要承受巨大的应力,人类现有最强材料碳纳米管有一定应用可能,但它仅是实验室中存在的材料无法量产,科学家们只能制造出极微量的实验品,而花费是天价;

  5. 即便是碳纳米管,它的长径比也在1000:1级别(对比普通材料20:1已有极大提升),对比太空电梯的超长缆绳要求依然不够;

  6. 不仅强度问题,绳缆不同位置由于重力加速度和围绕地球运动速度不同,受到的切向应力也不大不相同,人类尚无一种灵活的材料能实现这些要求;

  7. 地球大气干扰巨大。大气包含对流层、平流层、中间层、电离层等,对流层有风雨雷电,平流层有横向风,中间层有剧烈温度梯度和对流,电离层有高能粒子和磁暴等人类完全未知的空间天气现象。好不容易走出1000千米的传统大气层定义区间,很不幸,仅走完了全程3%左右;

  8. 电梯厢并不简单。航天中但凡从无人变成载人,都意味着成本陡增,人是所有航天探索中最脆弱的环节。太空电梯要进入太空,面临复杂的大气环境和宇宙辐射环境,电梯的防护要极端严格,而这无疑需要一个巨大的电梯厢,进而要求增大绳缆的应力、强度、尺寸,形成无解死循环;

  9. NASA曾经做过一些预研究,最终全部放弃。谷歌著名的X实验室,曾经研究过太空电梯可行性,最终宣布放弃,因为它的技术难度“远远超过了人类现有技术水平”;

  10. 人类航天已经愈发成熟,随着可回收运载器和航天器的快速研发,尤其是商业航天的加入,航天成本也在迅速降低,太空电梯最吸引人的“价格优势”并不存在。

  以上,别闹了,大家还是老老实实支持可控核聚变这种靠谱的技术吧,改变人类全靠它了(手动滑稽)!

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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