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天梯 一步登天的未来畅想编辑本段回目录

  征服天空,飞向宇宙,是人类自诞生以来的永恒梦想。早在莱特兄弟试验飞机、蒙哥尔菲兄弟用热气球克服地心引力,中国明代科学家万户为载人火箭试验献出生命之前,我们的祖先就已经构想出了一劳永逸实现登天之梦的计划,这就是《圣经·旧约·创世记》第11章中所记载的通天塔(巴别塔):大洪水劫后复兴的人类开始质疑上帝当初与自己立下的约定,祖先们试图建造一座可以直达天堂的高塔,这样当洪水再度爆发后,他们就可以在上帝的领域中找到自己的容身之地。而上帝则对人类公然质疑自己的行为感到愤怒,他让人类说不同的语言,使得整个计划的执行者之间不能沟通,通天塔因此成为了烂尾楼……

天梯假象图
天梯假象图

  空间电梯

  在科学理论和材料学突飞猛进,尤其是载人飞行器已经深入太空的今天,通天塔这一构想是否可行?科幻作家们对巴别塔的未来畅想已经有了眉目,那就是连接地球与太空的空间电梯(以下简称天梯)。游戏工作者们则很好地“山寨”了他们的理念:在《文明——天赋神权》(Civilization: Call to Power,1999年)中,空间电梯是一项奇观建筑;在《自由枪骑兵》(Freelancer,2003年)中,空间电梯是将小型飞船从轨道直接传送到行星表面的高速安全通道;在超任游戏《战斗冲击》(Battle Clash,1992年)中,“巴别塔”是大灾变之后人类通向外太空的唯一途径;而在近期推出的机甲题材动作游戏《前线任务进化》(Front Mission Evolved)中,空间电梯已经成为超级大国间扩张太空霸权的工具——USN(United States of the New Continent,新大陆合众国)的天梯被不明身份的武装分子破坏,这一事件导致了一场世界大战的爆发……对科幻题材游戏玩家而言,天梯的概念不仅相当熟悉,而且其结构、原理,也被我们的虚拟替身在游戏世界中“亲身”体验过。

天梯理论的创始人,俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
天梯理论的创始人,俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基

  概念的雏形

  “天梯”作为一个科学概念,最早是于1895年,由俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)提出的,其灵感来源,便是法国的新落成的标志性建筑——埃菲尔铁塔。齐奥尔科夫斯基构想了这样了一个可以让人类自由通行于地表与太空的设计:在距离海平面35790千米的地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡,充当“电梯”的平衡锤,用缆绳将其与地面基站连接起来,通过发动力拉动滑轮组,将货物和人员从地球送往太空。在提出这一构想的同时,齐奥尔科夫斯基也指出了其实现过程中的两个难点:“太空城堡”必须维持一定的轨道速度,避免脱离地球轨道,在惯性作用下甩入太空;缆绳的材料必须非常坚固。

齐奥尔科夫斯基构想下的天梯结构——在地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡
齐奥尔科夫斯基构想下的天梯结构——在地球同步轨道上建造一个纺锤形状的太空城堡

  时至今日,将“城堡”送入太空已经成为了可能(人造卫星等),纳米技术的突飞猛进,也让当初这位俄国科学家所担心的材料问题得到了解决。与科幻题材影视、游戏所描述的那些更具未来感的封闭式天梯不同的是,齐奥尔科夫斯基当初构想中由“纺锤”、缆绳、基站和货舱组成的“四大件”,被后来的科学家证明是最具可行性的设计。因为封闭结构的天梯会受到地球自转、狂风、平衡、造价以及地基强度等一系列问题的影响。2002年,美国登月计划参与者之一的Brad Edward博士,在华盛顿创建了LiftPort集团,正在以齐奥尔科夫斯基的构想来实现人类“一步登天”的伟大梦想。

LiftPort集团的首页,页面上首要的问题就是:什么是空间电梯?
LiftPort集团的首页,页面上首要的问题就是:什么是空间电梯?

  基本结构:地面基站

  在“光环”的世界观中,人类历史上第一座天梯于2302年正式建成,它的地面基站设立在肯尼亚的蒙巴萨岛,围绕通天塔形成了一座没有机场、没有码头的新型港口城市——新蒙巴萨。从《光环2》(Halo 2,2004年)中的描绘来看,这个城市由无数金属打造的巨型仓库组成,磁悬浮列车组成了复杂的交通网络,将货物从城市中的各个位置运送到基站,再通过天梯将其送入太空。到Halo正篇故事开始的时候,赤道地区已经建设了7座“通天之城”,包括《光环3》多人地图中出现的位于厄瓜多尔首度基多的天梯,以及“光环”小说《奥星幽灵》(Ghosts of Onyx,2006年)中提到的建立于古巴首都哈瓦那的“联合国星际指挥部(UMSC)百年纪念”天梯。《席德·梅尔的文明Ⅳ》(Sid Meier's Civilization IV,2007年)更是将“北纬30度”作为建造天梯这一奇观建筑的必备条件。

LiftPort构想下的天梯结构,基本原理沿袭了康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的思路
LiftPort构想下的天梯结构,基本原理沿袭了康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基的思路

  为什么科幻作家构想的天梯的基点均位于赤道呢?因为地球自转所产生的离心力,使赤道位置建造的天梯能够一定程度上忽视引力的作用,也就是说,不需要像《圣经·创世纪》所描写的那样,用砖头一层一层地把塔盖起来,只要海面上端与下端的电梯长度一样,就可以靠地球的引力和离心力,把电梯像绳子一样两端拉紧,这种条件只有在赤道上可行,在这里重力、离心力、惯性力的矢量维持在一个平面,并且重力和离心力相抵消,惯性力给其他两力垂直方向“刹车”,整个天梯的结构就会处于一个相当稳定的状态。

Bradley Edward博士,现代天梯的实践者
Bradley Edward博士,现代天梯的实践者

  在赤道地区建立天梯的考虑还包括这里的商业航班相对较少,但赤道地区的强烈空气对流活动异常频繁,因此,天梯基站的最佳建造地点,只能位于赤道两侧各5°~10°的低纬度海拔地区的“赤道无风带”内。翻开地图,我们可以找到这样几个绝佳地点:非洲的刚果河(扎伊尔河)流域、南美洲的亚马逊河流域和亚洲与大洋洲间从苏门答腊岛到新几内亚岛一带,这些区域就是建造“太空巴别塔”的最佳地点。

货仓结构想象图1
货仓结构想象图
货仓结构示意图
货仓结构示意图

  如果要在外星球上建造天梯,理论上要求相比地球低,基站的选址也不会太复杂,因为它们一般来说重力较小,且没有大气因素影响。2002年的RPG游戏《超人宇宙》(Transhuman Space)里,人类文明的第一座天梯就是在火星建成的。不过其前提必须是人类已经实现了外星殖民,而这一事件似乎应该要在天梯建成之后才会发生的吧……

《前线任务进化》里,重力锤被破坏后沦为太空垃圾的天梯
《前线任务进化》里,重力锤被破坏后沦为太空垃圾的天梯
天梯看起来不错
天梯看起来不错

  基本结构:缆绳

  在能够承受货物的重量之前,天梯的缆绳必须承载的是自身的重量,即便是以尼龙绳为材料,从基站到重力锤的缆绳质量将达到17532吨的惊人数字。绳索的强度并非只要征服重力,天梯的原理与其说是“钓鱼”,不如说是“放风筝”,绳索会受到多股向不同方向作用的力的考验,最保守的估计,材料的强度系数必须达到50000 kN.m/kg ,而最精良的钢绳,其强度只能达到这一数字的百分之一。天梯的难关,恰恰在于缆绳的制作材料,它必须具有非常高的弹性模量,抗张强度也需要非常高,同时重量还必须很轻,成本也不能高昂。而科学家所考虑过的材料,要么是强度不够,要么就是不够柔韧,无法制成缆绳,而且拉力抗性也很弱。

“光环”中设在新蒙巴萨天梯,左侧的正是即将启动太空跳跃的星盟旗舰
“光环”中设在新蒙巴萨天梯,左侧的正是即将启动太空跳跃的星盟旗舰

  Arthur C. Clarke的小说《天堂的喷泉》(The Fountains of Paradise,1979年),就对这种材料进行了畅想。它的第一次出场是在一个展示会上。研制者用它制成细线,拴住一只金属球。由于线只有几微米粗,肉眼看不到,观众只看到金属球“浮”在空中,可如果谁的手不慎划过金属球的上方,就会被割断,因为这根细线比最锋利的刀刃都锋利百倍。近年来之所以天梯计划取得了突破性的进展,其突破口在于纳米技术的进步,碳纳米管这一新兴材料的出现,让天梯不再是一个纯粹意义上的科幻概念。这种材料在强度上比钢高100倍,重量只有其六分之一,但却可以具备橡胶那样的柔韧性。一旦科学家们能够用碳纳米管制成纤维,那么就有可能制作出制造天梯缆绳所需的细丝。目前这一技术也面临着瓶颈:科学家尚无法将碳纳米管聚合成纤维或带状,最长的碳纳米管绳的长度也只有5厘米。

《前线任务进化》中,两个超级强权围绕着各自的天梯进行殊死对抗
《前线任务进化》中,两个超级强权围绕着各自的天梯进行殊死对抗

  基本结构:平衡锤

  如果将天梯比喻为绳球游戏,那么上文介绍的碳纳米管就是“绳子”,而在地球轨道上充当天梯终点的平衡锤就是“球”。“球”必须围绕立柱作高速旋转,这样才可以使“绳子”拉得很紧(让缆绳始终与地表垂直)。作为悬挂着超过5000吨质量物体的“天钩”,平衡锤的功能绝非同步卫星所能胜任。这是因为,一个普通的地球同步轨道卫星,它做圆周运动的离心力和其重力保持平衡后,就可以保持轨道,因为其重量轻,所以它的轨道速度保持与地球同步时产生的离心力可以支撑其重力。而天梯的平衡锤必须支撑整个电梯的重量,必须有很大的离心力来将整个设备拉住,单靠天梯自己本身的重量产生的离心力的话,位于静止轨道末端的质量就必须非常大。这也是为什么在科幻作品所表现的场面中,一旦平衡锤受到了攻击,整个天梯的结构就会瞬间解体的原因。《狂野禁区》(Z.O.E. Dolores,i)中的反派势力就是这么做的,好在这部动漫中,天梯的平衡锤启动了紧急配重,用于保持天梯稳定性的设计,因而免遭毁灭。

《机动战士高达00》中的天梯示意图
《机动战士高达00》中的天梯示意图

  最早科学家们曾经构想过用捕获的陨石来充当平衡锤,之后也有人设想过在地球静止轨道上建造一座专用的太空站,但其所需的巨额资金,已经违背了天梯“低成本进出太空”的设计理念。到了21世纪,天梯计划的“总设计师”Brad Edward早先的解决方案是这样的:将缆绳缠成一个轴状物,通过火箭发射到地球静止轨道后将其散开,使缆绳落回到地球上。同时,这个轴状物会继续向上运动到更高的高度。当缆绳落入地球的大气层时,就会有相应的装置捕捉到它并使它继续下落,直到与地面基站紧紧地联系到一起,然后将平衡锤分许多批从地面直接升入太空,最终取代顶端的“纺锤”。

《空中魂斗罗》中的轨道电梯
《空中魂斗罗》中的轨道电梯

  2005年,这位科学家又推出了更加前卫的设计:从位于地球静止轨道的天梯终点,再向上建造一个“上天梯”,使其产生的离心力合力能够平衡“下天梯”(从平衡锤到地面基站的部分)受到的地球引力的合力。沿着上天梯向上走,点的位置越高,线速度越大,产生的离心力随之增大,而地球引力却越来越小。这就使上天梯受到一个向上的合力。当这个向上的合力与下天梯受到的向下的合力相等时,整个天梯就能悬在太空,并且以与地球自转相同的速度旋转而掉不下来。

天梯在“光环”的世界观中,拥有者重要的战略价值
天梯在“光环”的世界观中,拥有者重要的战略价值

  基本结构:货舱

  由于结构、动力和材料上的限制,天梯的货舱不可能像我们日常使用的电梯那样“吊上吊下”,它必须通过自身的动力向上“爬”。目前LiftPort集团实验的空天货舱,只能实现每秒2米的爬升距离,下一阶段的目标也仅为每秒5米,整个登天所耗费的时间将超过80天。即便电梯可以像高铁那样保持300公里的时速,货舱也需要5天时间才能走完这段登天旅程。这其中还要考虑辐射带、无限能量传输、进出大气层等一系列的技术难题。天梯的货舱,也是制约这一连接空天的伟大工程变成现实的难题。

断裂中的天梯
断裂中的天梯

  经济和政治上的双重风险

  科技的发展和推广,总是与经济利益联系在一起的。太空天梯一旦建成,就可昼夜不停地开展运输工作,把旅游者和货物送入太空,并大大降低运送费用。目前火箭发射或航天飞机运送每公斤有效载荷约需耗费2万美元,而太空天梯运送每公斤物品仅需10美元。作为一种总体造价不会超过100亿美元,且可以永久使用的的登天途径,天梯将要直接冲击的,是以卫星发射为代表的航天业务。这也是为什么洛克希德·马丁、美国太空总署、波音公司等航空航天巨头均对天梯计划表示过合作意向,但却从未予进行过实质合作的原因。

被摧毁后的新蒙巴萨天梯,只剩下了地面上的一些支撑结构,但按照今天比较成熟的设想,是不可能出现如此惨烈的状况的
被摧毁后的新蒙巴萨天梯,只剩下了地面上的一些支撑结构,但按照今天比较成熟的设想,是不可能出现如此惨烈的状况的

  当天梯所能带来的新利益远远超过它所能冲击的旧利益的时候,这一计划才能真正从理论演变为现实。在《机动战士高达00》(Mobile Suit Gundam 00,机动戦士ガンダム00,2007年)中,地球的化石能源已经枯竭。世界上的三大强权:以美国为中心的“世界经济联合”(UNION);以亚洲主要国家构成“人类革新联盟”(人革联);以及以欧盟为中心的“新欧洲共同体”(AEU),分别在亚马逊河上游、所罗门群岛和非洲维多利亚湖建造了3座天梯,用于运送建造巨大太阳能卫星的材料。2307年,以3座长度约5万公里的轨道升降机为中心,巨大的太阳能发电卫星建造完成。在获得永久性能源之后,3个超级强权都非常惧怕属于自己的这座脆弱的巨塔会遭到攻击,为了自身的安全和霸权,他们将冲突扩大为了世界性的战争。

红色火星》是获得星云奖的“火星”三部曲之一

  通过上文的介绍和分析不难看出,天梯从设计到投入使用,需要先进的科学、超强的工业基础以及雄厚的综合国力的支持,此外其远离本土部署,以及易受攻击的弱点,让建造国还必须有一定的洲际兵力投放能力,用于在建造和运营过程中的防御。目前具备天梯制造实力的,似乎也只有美、俄和欧盟等传统大国和经济体,它们在赤道附近并没有领土,因此天梯的建设和防护,也可能引发一系列的地区性争端。国际上通用的80公里以上空域为国际共有的习惯,会给天梯在遭到攻击时的责任认定带来了一系列的法理难题。超级强权之间针对天梯的攻击和报复,也可能成为全球范围内剧烈冲突的导火索。

《天堂的喷泉》某一版本的封面

  脆弱的安全性

  在科幻题材游戏中,天梯往往是伴随着毁灭出现的。80后玩家的射击“启蒙”游戏——《最后任务》(Final Mission,即“空中魂斗罗”,1991年),天梯就作为了外星人以“自上而下”的方式入侵地球的通道,而两位地球勇士,通过被外星人改造后的天梯逆向突入了它们的旗舰,并最终将其一网打尽。除了外星人以外,天梯自身还可能会遭受那些灾难呢?

日本天梯协会(JSEA)设计的平衡锤和天梯构造模型

  纳米碳管是已知强度最高的人造材料,充当天梯绳索的这种材料必须制作得宽而薄,而活跃在200km至700km低地球轨道上的原子氧,恰恰最容易腐蚀这种形状的航天材料。天梯的绳索一旦固定,就无法进行检查和维护,一旦发生破损,则后果不堪设想。金和铂金是两种可以对原子氧腐蚀性完全免疫的金属,但用其充当天梯绳索的外层,这在经济上恐怕是不允许的。

LiftPort集团的天梯项目时间表,目前它们正处于试用热气球充当天钩和平衡锤的初级阶段
LiftPort集团的天梯项目时间表,目前它们正处于试用热气球充当天钩和平衡锤的初级阶段

  为了维持天梯的稳定性,绳索材料上的单个纳米管必须承受得住平均约100吉帕斯卡(GPa)的压力,这恰恰是这种人造材料在理论上所能承载的极限。如果每流失一个碳原子,其强度便会相应降低30%。由于碳纳米管很难直接加工成缆绳形状,必须将单个的纳米管“打结”。研究人员最近对高质量纳米管的测算发现,纳米管缆绳每打1012个结,便会流失一个碳原子,而每4微米长的纳米管便会有一个缺陷。虽然两个以上的原子流失极为罕见,但在总长度超过10万公里的天梯缆绳上,是很难保证这种原子级别的加工精度的。

实验人员正在利用塑料缆绳来模拟如何在高空捕捉缆绳,并且准确与地面基站连结到一起

  天梯的稳定性一旦遭到破坏,接下来的惨剧又会是怎样呢?“光环”系列是迄今为止科幻题材娱乐产品中拥有天梯数量最多的游戏,在游戏和小说中所描述过星球中,地球和丰饶星各自拥有7座,致远星拥有3座,由此可见天梯对于人类的太空战略价值。这些宇宙通天塔大都在人类与星盟的战争中被毁,它们屹立在荒原上的基站残骸,无声地诉说着这场星际战争的惨烈。

碳管绳更像是一根带子

  在蒙巴萨之战中,人类军队首先关闭了太空电梯,阻止星盟的地面部队利用“通天塔”直接登陆地表。然而悲怆先知的旗舰在新蒙巴萨上空发动了超太空跳跃,巨大的冲击波让天梯的缆绳出现了多处破损。一小时后,基站定锚点上方两公里的缆绳发生了破裂,整个上天梯就像断了线的风筝一样,瞬间就被静止轨道上巨大的平衡锤拖入太空。地面基站上方的支撑结构也被拽得七零八落。在《光环3》的预告片中,整个天梯只剩下了几个光秃秃的用于固定缆绳的圆环。

平衡锤将“上天梯”和“下天梯”分割开来,它的稳定与否将影响整个天梯的运转

  如果断裂的位置发生在中间位置(25000km),则天梯就会一分为二,上半部分跟随平衡锤进入更高的轨道,下半部分则会犹如一条断裂的丝带飘落。在科幻作家David Gerrold的小说《跳跃行星》(Jumping off the Planet,2000年),以及Kim Stanley Robinson的《赤色火星》(Red Mars,1992年)中均为读者们呈现过这一场面。在《光环2》中,电、天梯解体后的残骸摧毁了整个Voi镇,蒙巴萨岛上的诸多基础设施,如察佛高速公路(Tsavo Highway)也被彻底破坏。实际上,坠入地表的天梯缆绳很难产生如此这般的破坏力:一公里长的碳纳米管的重量才不到一千克,并且拥有一米的宽度和不到0.5毫米的厚度,在空气阻力的作用下,会如纸张般的飘落而下。除非地面基站内部的核反应堆或燃料仓爆炸,否则天梯的解体并不会带来严重的连带破坏。

漫画家们对待天梯的态度:一旦外星人入侵地球的事件发生,那么天梯将成为小绿人们快速登陆地表的战略点
漫画家们对待天梯的态度:一旦外星人入侵地球的事件发生,那么天梯将成为小绿人们快速登陆地表的战略点

  如果平衡锤被击毁,那么缆绳就会被拽回地面(大气层以外的部分会被烧毁)。这样的悲剧在“光环”系列的故事中发生了两次:位于丰饶星轨道的天梯平衡锤——Tiara空间站被星盟占领,敌方旗舰“激流猛进”(Rapid Conversion)号即将对人类殖民地展开轨道饱和轰炸,人工智能程序Loki控制轨道炮,将Tiara空间站摧毁,整个天梯也在眨眼间坠入大气层。充当哈瓦那“百年纪念”天梯重力锤的Wayward Rest空间站,在地球战役中的毁灭更具悲壮色彩:一名斯巴达Ⅱ型战士在一艘靠近空间站的星盟驱逐舰内引爆了6枚芬里斯核弹,使得这艘地球上仅存的天梯也一同灰飞烟灭。

  结语

  有报道说,2008年,日本已经投入了建造天梯的前期准备工作。在本文截稿的时候,传来了LiftPort集团的工程师用无线能量传输方式,将电梯传送到了900米位置的消息,他们还宣称在20年以内,天梯将彻底脱下科幻的外衣,成为人类征服太空的一道丰碑。

  发表于2010年《大众软件》10月中

  ■江苏 防弹手柄

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