地球同步轨道才3.6万公里，太空电梯为何高9万公里？有必要吗？

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大鹏一日同风起，扶摇直上9万里。古人永远也想不到，他们幻想出来的大鹏，能飞到的最高高度，仅仅只有太空电梯的一半。



电影《流浪地球2》，开篇就展示了未来人类建造的太空电梯，高度达到恐怖的9万公里。绕地球一圈才4万多公里，太空电梯到达“顶楼”的距离，都够绕地球两圈多了。目前卫星所在的最高高度，也就是地球同步轨道，也还有才3.6万公里，太空电梯有必要造这么高吗？又为何造这么高还能保持和地球同步呢？



什么是地球同步？什么又是地球同步轨道？

所谓地球同步，就是太空中的卫星等，始终处于地球的某个点上方，与地面的相对位置不会发生改变，这就意味着同步卫星绕地球一圈的时间，和地球自转的时间相同。



如果你表示很难理解，那可以想象一下链球比赛。运动员双手握住链球上的铁链把手，然后急速旋转带动链球转动。如果把运动员比作地球的话，那终端的链球就是地球同步卫星了，在运动员旋转过程中，它始终处于固定的相对位置，不管运动员转得快或慢，都不会影响链球的位置。



链球与运动员之间靠铁链连接，而地球同步卫星和地球保持同步，主要靠引力。在这个点上，地球引力和卫星的离心力达到平衡，所以卫星可以不通过任何动力，就能始终保持运转。当然也不敢给它施加动力，否则它们就会逃逸地球去往宇宙深空，此处多之一分即逃离，少之一分则坠落，一切都妙到毫巅。



而所谓的地球同步轨道，位于地球赤道上方约3.6万公里处，人类依靠火箭将卫星送到同步轨道后，卫星就可以依靠惯性持续运行。3.6万公里的同步轨道高度，这只是根据地球自身的特性计算出来的，不同的星球引力和自转速度不同，同步轨道的高度也不同。



对于一颗自转速度快的星球，同步轨道就要低一些，因为自转速度快，给卫星施加的离心力就更强大，所以必须低一点受到更多引力制衡，才不会发生逃逸；而自转速度慢的星球，同步轨道可能要高一些，因为卫星离心力小，抵不住太大的引力。



太空电梯为何要建在9万公里高度？

电影《流浪地球2》中，观众受到的第一个视觉冲击就是太空电梯，恢宏的建筑让人叹为观止，而9万公里的高度更让人感觉不可思议。太空电梯为何要建的这么高呢？



从影片中可以发现，太空电梯底部位于加蓬国境内，顶部则位于9万公里高的宇宙深空中。而加蓬正好位于赤道上，可以说太空电梯就是一个超大号的“地球同步轨道卫星”。当然，也只能和地球保持同步，毕竟要考虑线缆的连接。



上文也讲过地球同步轨道高3.6万公里，现在太空电梯建在9万公里的高度，还怎么保持同步呢？主要是因为，太空电梯不同于卫星。
虽然两者和地球保持同步的原理是一样的，就是受到的引力和产生的离心力达到平衡点，然后相对静止于地球上方某个位置。但电梯和卫星与地球的连接方式可是大相径庭。卫星在太空中，纯粹是靠引力与地球相连，而太空电梯除了引力之外，还有线缆。



线缆长9万公里，你可以想想这重量到底有多么可怕，就算未来人类科技发展，材料重量下降，但挡不住这线缆太长，量变引起质变的道理想必大家都应该明白。
当然，线缆上产生的，也不全都是把天体拉向地球的重力。3.6万千米以下，因为没超过同步轨道，这部分线缆会产生重力，而3.6万公里以上部分，则会产生离心力。为了能抵消向下的重力，太空电梯只能往深空发展，增大自身的离心力，这就相当于是在寻找新的平衡点。



实际上，电影中太空电梯建到9万公里的高度，并不是作者或导演为了电影效果，一拍脑门随便想出来的，而是完全经得起推敲的。
如果我们假设太空电梯顶部的重量为1000吨，而拉扯力为500千牛，算下来轨道高度需要9.2万公里左右，这可能就是电影中设定9万公里的原因。所以说，9万公里的太空电梯，不是太高了，而是刚刚好。



人类真能建太空电梯吗？

说起来，太空电梯也不是小说作者或导演凭空想出来的，而是在100多年前，就有人提出了这个设想，这可比火箭卫星要早得多，而且也大胆得多。
理论上来说，建造太空电梯当然没问题，但实际上却困难重重。据《流浪地球》小说作者刘慈欣介绍，实现这个设想最难之处在于材料，其次是大推力的火箭和资源问题。



首先就材料而言，人类目前还无法制造出长度几万公里的线缆，而且还要保证能承受巨大的拉力。毕竟从地面到太空这段距离，线缆可是直上直下承受巨大拉力的。另外，既然外太空有了驻留点，就必须有电梯在上边运行，这更让线缆压力山大。



其次，要把巨大的电梯送到太空，也不是一件容易事。电影中电梯加速度达到9G，说明电梯推力非常大，而以目前人类的火箭燃料，暂时还达不到这么强大的推力。虽然我国目前正在研究长征九号重型运载火箭，但想要推动太空电梯依然差太远。



第三，就是资源问题。太空电梯和不同于现在小小的卫星，哪怕是空间站和它相比都显得过于秀珍。想要把建造如此庞然大物，暂时没有哪个国家能单独承担。而以现在各国的关系现状，除非像电影中遇到人类毁灭的大事件，否则不太可能联合起来共同建造。



不过，建太空电梯也不是一朝一夕的事。中国的未来必定是星辰大海，当我们的太空事业从无到有建立起来，当中国航天员常驻太空之际，当中国各类探测器在宇宙中越走越远时，相信未来也没有什么难题，能阻挡中国探索宇宙的步伐。
作者：芒果很忙