《流浪地球2》中哪些航天技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的？戳文了解！

今年春節(jié)期間，科幻電影《流浪地球2》在全國各大影院上映，為觀眾呈現(xiàn)了一場科技感十足的視覺盛宴，也收獲了上佳的票房成績。影片內(nèi)容涉及相當(dāng)多的航天技術(shù)和概念，其中一些是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的，還有一些是未來可能實(shí)現(xiàn)的，可謂有虛有實(shí)。

太空電梯

《流浪地球2》是首部完整而詳細(xì)展示“太空電梯”這個(gè)概念的中國電影。在電影中，聯(lián)合政府在非洲加蓬共和國的大西洋海岸上建造了“移山計(jì)劃”一號(hào)行星發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)機(jī)和一座高達(dá)9萬千米的太空電梯，借助太空電梯強(qiáng)大的運(yùn)力以快速建造方舟號(hào)國際空間站。

電影《流浪地球2》宣傳海報(bào)

這座太空電梯的核心是位于靜止軌道上的太空電梯船塢，方舟號(hào)國際空間站就在這里組裝。同時(shí)電梯還包括位于9萬千米高度的配重和海面上直徑3千米的基座。9座轎廂由216根碳納米管纜繩牽引，以快速往來于地面和空間站之間。這是人類歷史上最高的建筑，是新時(shí)代的“巴別塔”。

說到太空電梯，一些人會(huì)想到古巴比倫的“巴別塔”，也有人會(huì)想到現(xiàn)在位于阿拉伯聯(lián)合酋長國迪拜市的哈里發(fā)塔。實(shí)際上太空電梯最早的提出者是人類航天事業(yè)的先驅(qū)齊奧爾科夫斯基，他在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時(shí)想到了這一點(diǎn)。但這些建筑實(shí)在是太矮了。目前地球上最高的建筑哈里發(fā)塔，也只有區(qū)區(qū)828米?！读骼说厍?》中的太空電梯的高度是它的10萬倍。如果我們?nèi)匀幌窠ㄔ煲粭潣且粯訌牡孛嫱吓?，則這棟樓很快就會(huì)被自重壓垮。那怎么辦呢？

實(shí)際上太空電梯并不是一棟樓，而是一顆尺寸達(dá)到9萬千米的衛(wèi)星，確保太空電梯的重心位于靜止軌道上。既然無法直接從地面向上建設(shè)，那么能否從靜止軌道開始建造，保證重心持續(xù)位于靜止軌道上呢？

由于重力的遞減速度遠(yuǎn)快于離心力增加的速度，那么在太空電梯9萬千米的遠(yuǎn)端，必定會(huì)受到巨大的離心力。如果使用鋼材來建造太空電梯的話，在其遠(yuǎn)端對材料的抗拉強(qiáng)度需求將達(dá)到恐怖的400吉帕，但是鋼只有400兆帕，差了3個(gè)數(shù)量級！

那么就沒辦法了嗎？太空電梯末端的離心力取決于本身的質(zhì)量，如果降低材料的質(zhì)量，提升抗拉強(qiáng)度（提升比強(qiáng)度），那么就可以實(shí)現(xiàn)了。

說得簡單，目前人類發(fā)現(xiàn)的材料中能滿足如此恐怖需求的只有一種叫做碳納米管的材料。如果使用碳納米管建造太空電梯的話，需要的抗拉強(qiáng)度“只有”80吉帕，而人類目前在實(shí)驗(yàn)室中合成的碳納米管抗拉強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了200吉帕，看上去曙光即將到來……

但那可是9萬千米的碳納米管纜繩啊，是中國目前現(xiàn)有運(yùn)營高速鐵路總里程（截止至2022年底為4.2萬千米）的2倍。但是在現(xiàn)實(shí)中，最初生產(chǎn)出來的碳納米管都只有幾個(gè)微米的長度，并且充滿了結(jié)構(gòu)缺陷——理想狀態(tài)下碳納米管是完全由單層的碳原子卷曲形成的，而結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)極大的降低碳納米管的性能。

不過在2013年的時(shí)候，清華大學(xué)生產(chǎn)出了半米長、結(jié)構(gòu)完美的碳納米管材料，目前他們正在突破千米量級，預(yù)計(jì)達(dá)到9萬千米應(yīng)該只是時(shí)間問題。

太空電梯建設(shè)的初衷是為了擺脫對化學(xué)火箭的依賴，快速而低成本地從地表出發(fā)抵達(dá)太空?！读骼说厍?》中的太空電梯雖然沒有披露上下行時(shí)間，但其乘坐時(shí)超過9個(gè)g的加速度仍然是令人疑惑的。在同為劉慈欣創(chuàng)作的的著名科幻小說《三體3·死神永生》中的太空電梯需要20多個(gè)小時(shí)抵達(dá)靜止軌道站。它的加速就很平穩(wěn)。同樣的，如果仔細(xì)觀察《流浪地球2》中的太空電梯的話，它四角的8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)無疑是最醒目的。但是，如果都能建造一座巨大的太空電梯了，為什么還要使用化學(xué)動(dòng)力呢？

《流浪地球2》中的空間站船塢——來自流浪地球2劇組發(fā)布的設(shè)定集

實(shí)際上這座太空電梯是一座軍用電梯，并不考慮舒適度，而是要盡量壓縮太空旅行的時(shí)間，以加快建造方舟號(hào)國際空間站的進(jìn)程。因此恐怖的加速度只是它的一部分。

《流浪地球2》方舟號(hào)國際空間站

這座電梯使用了三階段加速。首先通過電磁彈射將轎廂發(fā)射出去，同時(shí)8臺(tái)組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火，以巨大的加速度將電梯加到極高的速度使得其沖出大氣層。在大氣層之外，從靜止軌道空間站船塢上垂下來的電磁牽引裝置會(huì)抓住轎廂并且繼續(xù)進(jìn)行提升。太空電梯轎廂頂部還設(shè)計(jì)有4座反推發(fā)動(dòng)機(jī)。如此復(fù)雜的設(shè)計(jì)正是為了滿足高速往返的需要，乘坐這座太空電梯需要的體質(zhì)甚至遠(yuǎn)超現(xiàn)有航天員，因?yàn)槟壳斑^載最大的我國載人運(yùn)載火箭長征二號(hào)F/G也只有5.4個(gè)g的最大過載，未經(jīng)過訓(xùn)練的普通人乘坐該電梯會(huì)被巨大的過載壓在座椅上，然后暈厥。這也是要穿抗荷服的原因所在。

以我們現(xiàn)有的技術(shù)，能否制造這座超級建筑呢？答案是否定的。

實(shí)際上，人類目前完全無法建設(shè)這樣一座太空電梯。如果我們真的到了可以生產(chǎn)出9萬千米的碳納米管纜繩的時(shí)候，或許已經(jīng)不需要太空電梯了。拋開前面提到的問題，還有一系列新的問題。首先，來自近地軌道空間彌散的原子氧，會(huì)對太空電梯的纜繩造成極大的損壞。我們現(xiàn)在可以看到一些運(yùn)行了很久的航天器表面老化，就是來自于原子氧的腐蝕，而太空電梯使用的碳納米管更加脆弱。在國際空間站進(jìn)行的站外實(shí)驗(yàn)中，僅僅2年內(nèi)暴露試驗(yàn)中的碳納米管就被打得支離破碎，而太空電梯的纜繩一旦斷裂，斷裂點(diǎn)上半部分的結(jié)構(gòu)就會(huì)永遠(yuǎn)的飄離地球。

這還不是最大的問題，實(shí)際上太空電梯最大的問題來自于對于一個(gè)長達(dá)9萬千米的半剛性物體的控制。當(dāng)轎廂高速運(yùn)行在電梯上時(shí)，其產(chǎn)生的科里奧利力完全施加在太空電梯上，給予其一個(gè)剪切力。這種力會(huì)使得碳納米管彎曲形成一種類似懸鏈線的結(jié)構(gòu)，然后就把整座電梯拉下來了。無論是光壓還是太陽風(fēng)都會(huì)強(qiáng)烈影響電梯的姿態(tài)，同時(shí)轎廂上下移動(dòng)會(huì)少量改變電梯的質(zhì)心分布，放大到整個(gè)尺度來看將是致命的。無論是移動(dòng)頂部配重還是安排單獨(dú)的移動(dòng)配重都會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，況且這些移動(dòng)帶來的振蕩會(huì)使得整座電梯變成巨大的扭動(dòng)的一條蛇，為了補(bǔ)償這些振蕩需要安裝大量的推力器組。為太空電梯寫控制率的人，或許要得個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)“菲爾茲獎(jiǎng)”才能補(bǔ)償。

在建造太空電梯的時(shí)候，第一根纜繩的布設(shè)就是一個(gè)難到幾乎無法實(shí)現(xiàn)的工程。拖著一根繩子從靜止軌道垂直往下飛到地面，同時(shí)要將另一根繩子垂直向上布設(shè)，這一點(diǎn)對于目前的人類航天技術(shù)來說還是太超前了。

總而言之，雖然太空電梯是人類歷史上最高的宏偉建筑，但目前是完全無法實(shí)現(xiàn)的。而當(dāng)人類的技術(shù)真的達(dá)到了足夠的高度以建造它的時(shí)候，人類應(yīng)該已經(jīng)不需要它了。

太陽風(fēng)暴

《流浪地球2》中有這樣一幕場景：在準(zhǔn)備進(jìn)行月球發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)的時(shí)候，一場強(qiáng)烈的Z9級太陽風(fēng)暴來襲，而人類的所有太陽風(fēng)暴預(yù)警系統(tǒng)都沒有作出反應(yīng)。強(qiáng)烈的高能太陽質(zhì)子風(fēng)暴席卷月面，摧毀了原計(jì)劃用于進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制的550C智能量子計(jì)算機(jī)。

太陽并不是平靜的等離子體團(tuán)，其內(nèi)部充滿了強(qiáng)烈的等離子體風(fēng)暴，包括太陽黑子和日珥這些相對平淡的太陽活動(dòng)，和一系列強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)。其中能影響到地球的太陽風(fēng)暴包括耀斑、日冕物質(zhì)拋射、地磁暴和太陽質(zhì)子事件，日冕物質(zhì)拋射和太陽質(zhì)子事件中的太陽風(fēng)粒子速度可達(dá)到750千米/秒，能量則覆蓋10兆電子伏到數(shù)十吉電子伏。

日冕物質(zhì)拋射圖

我們在地面上很難感受到來自太陽的影響，是因?yàn)榈厍虼艌龊痛髿鈱訑r住了它們。地球的磁層形成一個(gè)巨大的離子鞘，將大部分來自太陽的射線阻攔在外。但它并不是無所不能的。1989年3月的特大太陽質(zhì)子事件是人類航天史上最強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)，而在此之前的1859年太陽風(fēng)暴使得強(qiáng)烈的高能粒子猛烈轟擊地球磁層，極光蔓延到了赤道附近。如果一次極其強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射擊中地球的話，所有的電子設(shè)備都會(huì)被高能帶電粒子毀滅，某種意義上人類將退化到蒸汽時(shí)代。

對于月球，其并不位于地球磁層的保護(hù)內(nèi)，太陽風(fēng)暴的高能粒子會(huì)不受阻礙地直接沖擊月球表面，因此月球基地需要極厚的防護(hù)層以屏蔽太陽粒子和銀河高能射線。如果全部使用金屬屏蔽（比如鉛版）的話會(huì)導(dǎo)致基地結(jié)構(gòu)很重，目前常?？紤]的設(shè)計(jì)是將基地埋入地下，利用巖層作為輻射屏蔽，或者直接在地下熔巖管道中建設(shè)基地。

未來的月球基地概念圖

太陽風(fēng)暴雖然強(qiáng)烈，但并不是無法預(yù)測。目前人類已經(jīng)建立了足夠完備的太陽風(fēng)暴預(yù)警設(shè)施——包括接近太陽的帕克太陽探測器和太陽軌道器；地球軌道附近的日地關(guān)系天文臺(tái)；日地L1點(diǎn)上的太陽和日光層天文臺(tái)、先進(jìn)綜合探測器、WIND衛(wèi)星和深空氣象天文臺(tái)；地球靜止軌道上一系列以地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星的太陽觀測載荷為主的靜止軌道太陽監(jiān)視系統(tǒng)，還有位于太陽同步軌道上可以持續(xù)觀測太陽的中國“羲和號(hào)”和“夸父號(hào)”太陽探測器。

曦和太陽探測衛(wèi)星

“夸父一號(hào)”先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)衛(wèi)星

這些設(shè)備可從全方位探測太陽表面的情況，在太陽表面有活動(dòng)跡象的時(shí)候提供預(yù)警，并且在速度較低的粒子抵達(dá)探測器的時(shí)候發(fā)出警報(bào)。我國計(jì)劃在日地L5（位于地球公轉(zhuǎn)軌道上且落后于地球60°）的位置發(fā)射探測器，由于太陽表面自轉(zhuǎn)的速度比地球公轉(zhuǎn)的角速度要快，在這個(gè)位置的探測器將提前“看到”幾天后將對準(zhǔn)地球的區(qū)域，通過觀測該區(qū)域以提前在太陽風(fēng)暴將發(fā)生的時(shí)候感知并且發(fā)出預(yù)警。

巡天望遠(yuǎn)鏡

影片中逐月計(jì)劃失敗后，月球?qū)⒃谔?天內(nèi)墜落至地球。當(dāng)時(shí)聯(lián)合政府的控制站使用巡天望遠(yuǎn)鏡，也就是中國的空間站望遠(yuǎn)鏡（CSST）觀察月球。

中國空間站望遠(yuǎn)鏡是我國首個(gè)大型空間科學(xué)裝置，計(jì)劃于2024年由長征五號(hào)B火箭發(fā)射升空。中國空間站望遠(yuǎn)鏡發(fā)射質(zhì)量達(dá)15500千克，最大包絡(luò)4.2米，采用一臺(tái)2米口徑離軸光學(xué)系統(tǒng)，使用控制力矩陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。雖然該項(xiàng)目常常被稱為“中國哈勃”，但實(shí)際上中國空間站望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡并非同類，而是和“歐幾里得”望遠(yuǎn)鏡，“南?！じ窭俳z·羅曼”望遠(yuǎn)鏡一樣屬于巡天望遠(yuǎn)鏡。這一系列望遠(yuǎn)鏡并不追求高焦距以獲得較為精細(xì)的角分辨率，而是通過大視場以快速掃視天區(qū)，及時(shí)獲取天象活動(dòng)的信息。如果時(shí)間允許，再調(diào)用角分辨率高但視場小的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行精細(xì)觀測。

中國巡天望遠(yuǎn)鏡示意圖

中國空間站望遠(yuǎn)鏡配置有5臺(tái)儀器：多色成像和無縫光譜巡天模塊、多通道成像儀、積分視場光譜儀、系外行星成像星冕儀、高靈敏度太赫茲模塊。

逐月計(jì)劃失敗的時(shí)候?yàn)槭裁粗袊臻g站望遠(yuǎn)鏡仍然在使用？其實(shí)這很正常?？臻g望遠(yuǎn)鏡是非常昂貴且復(fù)雜的系統(tǒng)，并不會(huì)在達(dá)到預(yù)定壽命后就放棄，而是會(huì)持續(xù)使用。

中國空間站望遠(yuǎn)鏡可以與中國空間站交會(huì)對接以補(bǔ)加燃料，理論上具備更換后端儀器和轉(zhuǎn)折鏡的能力，其成像儀器的性能可以在發(fā)射后通過在軌服務(wù)的模式得到較大提升。因此與無論是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還是遠(yuǎn)在日地L2的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡，或未來的南?！じ窭俳z·羅曼望遠(yuǎn)鏡比，其可維護(hù)性都更高。

科幻電影的效果在某種程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)技術(shù)水平和思想觀念，而解讀一部好的科幻電影則可以使得我們進(jìn)行更加深入的思考。劉慈欣的科幻作品更像是對現(xiàn)實(shí)在未來的一種隱喻，而《流浪地球2》中無論是愛、希望還是責(zé)任，都代表了我們在災(zāi)難當(dāng)下的觀念。危難當(dāng)頭，唯有責(zé)任，《流浪地球2》擔(dān)負(fù)起了中國科幻電影走向世界的重任。而未來無論是思想的升華還是技術(shù)的發(fā)展，都或多或少會(huì)來自于一些早期的想法。科幻給我們帶來的不只是幻想，一些想法真正地應(yīng)用在了當(dāng)下（如靜止軌道通信衛(wèi)星），帶動(dòng)了航天技術(shù)的發(fā)展。而技術(shù)的進(jìn)步又促進(jìn)我們產(chǎn)生新的想法，這是一個(gè)相輔相成的過程。