直通太空的“纵云梯”——漫谈《流浪地球2》的太空电梯

追风少年

方舟空间站 来源：《流浪地球2》宣传片截图

今年的春节档影院佳片不断，而最吸引我们这些科幻迷的莫过于《流浪地球2》的上映了！电影开篇就展现了一场惊心动魄的太空电梯遇袭战。影片中“数字生命派”意图利用太空电梯携带炸弹击落方舟空间站，来阻止流浪地球计划。片中超燃的场景，详细描绘了未来太空电梯的模样。



video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2777563773509042177《流浪地球2》太空电梯震撼片段
人类最早在19世纪初就开始用蒸汽机作为升降工具的动力了，1889年就开始有了电力驱动的升降机，也就是真正意义上的电梯。而太空电梯这个概念很快也应运而生。据说俄国和苏联科学家齐奥尔科夫斯基在1903年参观埃菲尔铁塔后产生灵感，第一次提出了太空电梯的概念。他的概念是建立一座超超高建筑……哦不是，是超超高的铁塔，一直建到飞船可以轻松脱离地球引力的地方，电梯就一直运行到这里（距地大约100公里）。当然这只能是一个乌托邦似的理想。

随后的百多年时间，电梯的技术一直在进步中。18世纪开始出现直流电驱动的电梯，20世纪初开始出现交流感应电动机驱动的电梯。直到如今成熟的曳引技术，甚至双子轿厢技术，给人类高层建筑的建设带来了翻天覆地的变化，而人类对于太空电梯的设想也从未停止脚步。随着人类科技的进步，太空电梯的可操作性，也在一步步清晰起来。



太空电梯概念图 来源：www.tanmizhi.com

顾名思义，太空电梯就是利用电梯的方式将人和物资运送上太空，那么最重要的一点，是电梯的启动端与结束端应相对静止，可以形成稳定的电梯轨道。这就意味着，电梯太空端应保证运动的线速度与地球转动的角速度完全一致，且能够保证线速度产生的离心力可以和地球引力相抵消，也就是在距离地球赤道大约36,000公里的位置。如此长的电梯运行距离，我们必须考虑导轨材料的重量及坚韧度不会被自身压垮，也不会被自身重量拉断。曾经有美国宇航科学家，史密斯曼提出在地球同步轨道放置空间站，由空间站甩出一条约3.6万公里的索道连系地球赤道某处，同时在空间站外侧甩出重力平衡物，以抗衡索道产生的重力。电影中设想的空间站位置大约是距离地面1万公里处，而电梯轨道的总长度约9万公里。这多出来的长度大约就是考虑了平衡轨道的重量。



对重平衡示意图 来源：Booyabazooka

既然太空电梯也被称作是电梯，那我们可以与现实中的电梯作为类比，看看两者的异同：

01

舒适性

电梯的出现使高速直达高处成为可能。科技不断的发展和电梯在现代建筑中的广泛应用，也令电梯在提高速度的同时兼顾使用者的舒适感。我们一般在梯速选择中着重考虑加速度带来的不适感和高度变化带来的耳压不适。由于电梯是为了最大可能运输更多的人，所以人们都是以站姿使用电梯，因此加速度直接作用于直立人体。当人体在直立状态下向上加速度（超重加速度），全身血液会快速下移，达到一定加速度就会造成脑供血不足，产生眩晕等症状；而向下加速度时（失重加速度），血液又会快速涌向头部。虽然我们身体的机制可以帮助我们不会因此脑血管爆裂而亡，但人类可以承受的失重加速度极限值远小于超重加速度极限值。当然，这也与承受加速度的体位有关，其实，承受极限加速度的最佳体位是平躺或俯卧，避免出现对大脑的过度冲击。电梯是为普通大众使用的，对不适感的控制非常严格，因此一般电梯加速度不会超过1/3G。但是这个加速度对于至少1万公里运行距离的太空电梯来说，还是太慢了。电影中太空电梯上升会使用9个G的加速度，这一加速度远超普通人的承受极限，只能是经过专业训练的宇航员方可使用。在这里，速度和时间可能成为电梯加速度选择的唯一标准，舒适度就不再是考虑因素之一了。话说9G加速度的电梯即便宇航员乘坐也有极大可能晕过去，不是吗？



太空电梯轿厢内景 来源：《流浪地球2》宣传片截图

高度的变化引起耳压变化是很好理解的。就像我们乘坐飞机上升和下降阶段也会产生耳部不适一样，电梯的垂直升降也会带来耳压变化。如上海中心最高速的电梯，上升速度可达18米每秒，而下行最多10米每秒，也是为尽量减少下行的不适感，如今的电梯技术发展，已开始在轿厢设置气压调节装置了。太空电梯的气压变化之剧烈是毋庸置疑的，这也是电影中需要乘客穿上可调气压的航天服，佩戴氧气面罩的原因。或者，通过电梯轿厢自身的稳压设施也能解决此问题。

02

安全性

电梯作为当代社会应用最广泛的承载工具，其安全性要求非常高，电梯为了保障其安全可靠，设置了非常完善的安全保护系统，主要由限速器，安全钳，缓冲器，层站保护装置等组成。在超速失控状态时，可控制电力，切断能源输送，并用机械方式抱死轨道达到紧急制动。缓冲器则是基坑底部最后一道安全防线，它可以吸收落下的轿厢的冲击能量，使电梯可以安全减速和停落。

除此以外，电梯还会考虑每隔一段距离设置安全逃生出口，或者是不同的轿厢之间有相互救援的可能。这是为了电梯万一在途中遇到故障停下来之后，电梯被困人员可以被救援。在影片中似乎并未描述太空电梯出现故障是如何搭救被困乘客的。很明显太空电梯的救援将更加困难。因此现实的考虑是每个轿厢自身应搭载动力系统及燃料系统。在轿厢超速或失控的情况下，轿厢可以通过机械锁死功能，降速或固定在导索之上，但锁死在导索之上并非最终的解决方案。最终仍需借助自身的动力系统回到地面，或者回到空间站进行维修。



遭受袭击的太空电梯 来源：《流浪地球2》官方海报

03

动力系统

目前电梯均采用电力驱动。目前高层建筑中常用的高速电梯均为曳引式电梯。电梯的曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上。曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。曳引式电梯由于受到曳引钢丝绳的强度限制，目前最新研发可提升的最大高度大约在1000米。长距离电缆电力输送损耗也会成为阻碍电梯提升高度的原因。除了曳引技术，磁悬浮技术也在电梯设计中开始应用，例如ThyssenKrupp 已完成了磁悬浮电梯的原型机，利用磁力轨道驱动电梯，电梯的运行速度能达到 20m/s。但是这样的电梯都是位于固定的井道内，沿着固定的导轨上下运行的。如果太空电梯的索道不是呈绷直状态下，沿着柔性索道上下运行的电梯将会显得非常困难。不知未来是否存在整合了石墨烯的高导电性以及碳纳米管的轻质高强特性的材料，将会成为制作太空电梯导索的最佳材料选择。

燃料动力启动的太空电梯轿厢 来源：《流浪地球2》宣传片截图

在这里我们就会发现，电影中太空电梯的驱动方式和我们普通电梯的驱动方式有着巨大的区别：太空电梯第一阶段采取燃料驱动而非电力驱动，在第二阶段才改为磁力提升。据个人分析，一个可能的理由是轿厢自带燃料及动力系统可以极大减小对索道的附加力及扰动，避免对对重系统造成影响。也就是索道只辅助导向，不给轿厢提供支持。电梯下落时燃料动力同时可提供反向减速，属于比较高效的方式。另一个可能就是如前所述，上万公里的行程不能再指望他人救援，只能立足于自救，轿厢自身携带足够的能源，是对安全行驶的最大保障。当然如果继续畅想，若未来真的有足够轻质高强且能无损耗电力传导的材料做为中空管道，那么利用电能做磁悬浮轿厢也不会是不可能的选项。毕竟利用电磁力和中空管道，我们有可能在柔性结构中无摩擦力的运行，也能够避免大气横切风的干扰。也许这样运行的太空电梯不再需要9G 的加速度，我们普通人也能搭乘太空电梯进行太空漫游。

中空管道搭载磁悬浮轿厢 来源：www.kepuchina.cn

总之，《流浪地球2》中对太空电梯的刻画逻辑清晰，细节丰富，把只存在于想象中的场景真实地展现在我们眼前，令人不禁由衷赞叹！人类科技的进步终会有将幻想变为现实的一天。

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