第264章 太空电梯（1/2）

李水旺新一期视频：

探索星空一直是人类的梦想

如果我们能爬上去呢

取而代之的是

数百年来，人类一直梦想著抵达星辰

但直到现在，我们都依赖火箭

而火箭在运输能力上存在一些实实在在的局限

如果我们的目標是让数百万人

每天都能往返太空

我们研究了许多替代方案

最近我们深入探討了太空电梯

並接著对比了火箭与质量投射器的优缺点

质量投射器本质上是大型轨道装置

或是用於將货物甚至人类发射入轨的太空大炮

如今有许多创新系统可用於將货物和人员送往太空

今天我们將探討几种

基於太空电梯基本原理

但执行方式不同的系统

我们的主要焦点將是天鉤与旋转天鉤系统

以及保罗·伯奇的雅各布天梯概念

通常简称为太空梯

这些方法提供了一种摆脱地球引力的方式

无需依赖化学推进剂的爆炸力

也无需承担重复发射火箭的高昂成本

取而代之的是，它们利用繫绳系统

这是一种革命性的太空探索范式

重新定义了人类进入轨道及更远空间的方式

以太空梯为例

这些系统可以建造在城市附近

甚至城市內部

提供一种安全、安静、高容量的太空旅行方式

甚至能实现日常通勤

藉助先进物理学与材料科学

这些繫绳系统打造出可重复使用、可规模化的太空通行基础设施

这包括轨道繫绳、旋转缆绳

以及从地球表面延伸至太空的巨型结构

实现人员与物资的直接运输

有了繫绳技术

太空不再是遥远而昂贵的前沿阵地

反而成为人类活动可触及、自然而然的延伸

就像横渡海洋或飞越大陆一样

这些创新代表著迈向太空文明的巨大飞跃

天空不再是极限

而仅仅是起点

我现在相信，有了 石墨烯超级层压板（gsl）

我们拥有了一种可低成本生產的材料

其强度与长度足以让真正的太空电梯成为可能

正如我们最近在太空电梯中討论的

然而，更短的繫绳要容易建造得多

正如我们今天將探討的

它们可能比全尺寸太空电梯更早投入使用

我们也將看到天鉤与旋转天鉤系统

如何与其他技术无缝协同工作

比如成本更低、更易建造的质量投射器、空天飞机

和可重复使用火箭

这些系统相互补充

通过结合使用繫绳基础技术

让太空通行更便宜、更高效

想像一根能在空中捕获太空飞行器的缆绳

减少对巨额燃料储备的需求

或是一架固定在轨道环上的天梯

提供稳定的爬升通道进入轨道

这些技术有望彻底革新太空物流

降低成本、提升可持续性

並支持人类在地球之外长期居住

它们不仅仅是探索工具

更是人类迈向太空文明的垫脚石

正如我们稍后將看到的

这些系统不仅能有效帮助人类从地球进入太空

在火星、金星和水星上也极具应用潜力

不同环境可適配这些系统的不同优势並加以改造

事实上，天梯系统本身

不仅能实现快速太空旅行

还能快速返回地球

成为地球上无可比擬的快速廉价交通方式

比任何飞机都快

现在，当我们深入研究天鉤与旋转天鉤时

需要理解一个核心概念

如果太空飞行器只需达到轨道所需速度的一半

它消耗的燃料仅为原来的五分之一

燃料节省远不止於此

更低的发射速度意味著建造成本大幅降低

高速发射需要极高的工程精度

让成本远超燃料本身

同样，设计用於低速发射的质量投射器

长度仅需达到轨道速度所需长度的四分之一

这些技术分属不同类別与应用场景

但首批应用很可能与现有火箭

或高超音速飞机协同实现入轨

而这些载具也可能从质量投射器获得助推

这是如何实现的？

首先值得说明的是

严格来说，天鉤和旋转天鉤

是描述同一总体概念的两个术语

然而，大约十年前

我似乎无意间让“天鉤”这个词流行起来

用来特指旋转天鉤的一种变体

我们曾做过几期关於天鉤

在此之前，旋转天鉤可能是更常用的术语

儘管即便在当时，两者都相对冷门

我更喜欢天鉤这个词

因为当时我发字母r的言语障碍更严重

天鉤比旋转天鉤更容易发音

我过去常把它读成“弗托维特”

在科幻作品中，天鉤有时指代更科幻的技术

比如反重力

在最近的討论中

我用天鉤特指 径向朝向

或垂直垂向地球的繫绳

而旋转天鉤则指 在轨端对端旋转 的繫绳

这一区分似乎已得到认可

所以我们在此沿用

先从更简单的天鉤概念说起

天体的轨道速度由其高度

即与行星中心的距离决定

这一规则適用於任何天体

轨道越远，天体移动越慢

在相同距离下

天体要绕质量更大的行星运行

就需要更快的速度

以地球为例

大气层上方的天体轨道速度约为

7788米/秒

17422英里/小时

大约90分钟完成一圈完整轨道

地球仍在下方自转

所以完整轨道的定义

取决於是回到同一地点上空

还是完成360度绕行

地球自转確实能为太空飞行器提供助力

尤其在赤道附近

如果我们再往上约2000公里

到达2100公里高度

轨道周期会增加到2小时多一点

轨道速度降至6820米/秒

15400英里/小时

现在设想一个质量相当大的空间站

在2100公里高度运行

连接著一根轻质锥形繫绳

向下延伸至100公里高度

缆绳会因自身重量断裂

所以將其设计成顶部更粗、底部更细的锥形

能让它们比等粗缆绳更长

无论如何，这根繫绳的低端

將在大气层上方绕地球运行

速度仅为5228米/秒

因为它与上方空间站的轨道周期相同

但绕行的圆周轨跡短得多

相同时间內距离更短意味著速度更慢

在这种情况下

比所悬掛的空间站慢592米/秒

比100公里高度的轨道速度

足足慢2560米/秒

而100公里高度的轨道速度为7788米/秒

现在，如果你想將有效载荷送入轨道

可以发射一枚火箭

让它在繫绳末端释放有效载荷

然后返回地球

接著空间站只需將有效载荷沿繫绳绞升上去

关键区別在於

这枚火箭所需的速度增量

比常规火箭入轨少27%

而且如果是可重复使用火箭

再入时所需减少的速度增量也少27%

这有什么帮助？

27%看起来可能不多

但要记住，我们的大脑习惯於线性思维

而火箭技术遵循火箭方程的指数特性

当火箭的速度增量需求降低27%

这意味著系统的成本与复杂度大幅降低

燃料消耗降至原来的一半左右

这不仅意味著你只需建造一半大小的火箭

还能大幅降低

为製造能承受火箭极限工况、不爆炸

且可维修重复使用的装置

所涉及的天价建造成本

所以我们很容易看到成本降低一个数量级

甚至更多

但这到底如何发挥作用？

现在我们有一艘悬停在大气层上方的太空飞行器

它也会对空间站產生向下的拉力

这就是繫绳发挥作用的地方

你可以沿著它爬升

可以通过绞车將货物或乘客运送到空间站

空间站可能悬掛多根繫绳以实现冗余

並运送其他货物

或者让太空飞行器自行沿繫绳攀爬

另外，天鉤末端可以设置一个吊舱

人员与货物在此转移

运送他们的载具隨后分离返回地球

而吊舱沿繫绳爬升至空间站

根据具体情况

这些方法中的任何一种都可能效果更好

当你到达繫绳顶端时

你的移动速度將等於顶端空间站的速度

略低於该高度的正常轨道速度

爬升过程也会略微减慢空间站的速度

因为它將动量传递给了你

只需极小的燃料助推

就能將你送入稳定轨道

让你在离开顶端空间站后

转移到目標轨道

或者空间站可以通过小型质量投射器

或弹射系统提供电磁助推

让你加速

这种方法可以节省燃料

进一步简化入轨流程

之前我提到过空间站配备燃料舱和太阳能板

这也是原因之一

另一个原因是，空间站质量越大

捕获太空飞行器时自身速度与轨道的扰动就越小

这本身就很有用

因为现在你拥有了一艘进入太空的太空飞行器

无需按照常规入轨太空飞行器的要求

进行超高精度、超高成本的工程製造

燃料並非送入太空的主要成本

所以只要能使用

造价与维护成本大幅降低的可重复使用火箭或空天飞机

我们就能实现巨大的发射成本节约

但更厉害的是

空间站可以恢復自身动量

火箭燃料並非高效推进方式

尤其在实现高速度增量时

因为你想要加速得越快

单位燃料获得的速度增量就越少

一般来说

相比之下，离子推进器等高效驱动装置

单位燃料能提供10到20倍的速度增量

但它们的推力水平低得多

你无法用离子推进器发射太空飞行器

因为它必须超过重力造成的向下加速度

约1g

且超过得越多越好

例如，以4g加速度飞行的火箭

入轨燃料消耗比2g的更少

然而，离子推进器產生的推力甚至远达不到1g

如果空间站体积很大

捕获太空飞行器並让其攀爬时

速度仅损失比如100米/秒

那么在下一次发射或捕获之前

你可能有几个小时甚至几天的时间

在此期间，空间站可以使用离子推进器

或其他低推力、高效率发动机

恢復绕地球运行的损失速度与动量

藉助地球强大的磁层

可以通过 电动繫绳技术 恢復动量

这需要在长繫绳中通入电流

电流与磁场相互作用

通过洛伦兹力產生推力

推动繫绳

以地球为例，磁层为这种相互作用提供稳定磁场

让繫绳无需传统推进剂就能產生推力

虽然速度不快

但这种方法完全不需要推进剂

仅依靠电力

而太阳能板可以大量產生电力

这种长度的天鉤

会有相当一部分时间处於地球阴影中

不到一半，但仍占可观比例

在阴影之外的时段

多余的太阳能可用於將空间站抬回原位

同时为电池充电

这种设置实际上比地球上的太阳能更高效

原因有几个

1. 不受阴天干扰

2. 处於阴影中的时间比地面太阳能阵列更短

3. 轨道周期仅需几小时

电池只需储存约14分钟的能量

而非半天

电动繫绳与太阳能的结合

让天鉤成为可持续、高效的系统

用於维持轨道动量与稳定性

天鉤悬掛得越低

受到的空气阻力就越大

这部分动量也需要补充恢復

或许可以將天鉤底端保持在卡门线以下

但悬停在常规飞机高度可能不可行

不过，如果能到达吸气式喷气发动机仍能工作的高度

效果会更好

探索星空从未如此简单

正如我们今天所见

科学为通往太空开闢了新路径

回到攀爬入轨的话题

或许可以將繫绳最后一段降至空中

仅用於对接

不使用时再绞升回去

或者採用椭圆轨道

每圈轨道仅短暂进入较稠密的大气层两次

或两种方式结合使用

现在我们能建造比2000公里更长的天鉤吗？

当然可以

石墨烯超级层压板的断裂长度为4200公里

即2600英里

在更高处会更长一些

因为重力开始减弱

断裂长度基於常规地球重力计算

重力减半，材料断裂长度翻倍

我们在太空电梯中详细討论过这一点

当长度达到一定程度

你不妨放弃天鉤

转而使用太空电梯

太空电梯无需动量补充

能让你直接从地面出发

和太空电梯一样

天鉤在赤道地区效果更好

因为能最大程度藉助地球自转的免费速度

但这並非必需条件

因此也能適配现有发射场

我认为5000公里长的天鉤完全可行

这会让轨道周期仅增加到3个半小时

底端掛鉤的速度约为3300米/秒

即7400英里/小时

值得注意的是，这大约是nasa x-43的最高速度

也就是说，吸气式空天飞机完全可以可靠地与之对接

更低的速度会更理想

我们还能建造更长的天鉤

但同样，此时已经接近太空电梯的適用条件

因为太空电梯真正的难点仅在於最低段的承重问题

稍后讲到旋转天鉤时

我们会看到如何让末端速度更低

也会看到这些技术在其他低重力行星上的其他用途

关於这种天鉤最后还有一点需要说明

它们不仅能与火箭、空天飞机或质量投射器协同使用

还能相互配合使用

你完全可以建造一根10000公里长的天鉤

悬停在5000公里长的天鉤上方

速度更慢

末端悬垂到下方天鉤的空间站

该空间站会偶尔经过

然后你可以转移到这根更长的天鉤上

继续向更高处爬升

不一定需要机载燃料

按需重复此过程即可

我们討论太空梯时也会这样做

给它们加上可攀爬的梯级

天下没有免费的午餐

但与其在瞬间產生巨大推力

我们可以將其分散到很长一段时间

使用太阳能驱动的低推力、高效率发动机

这些发动机的部件承受的应力小得多

从而实现成本更低、工程更简单

灾难性故障风险更低的效果

非旋转天鉤相对於其对应物——旋转天鉤的主要优势

在於它不旋转

它只是一座不与地面相对静止的简化版太空电梯

这让与之对接变得容易得多

因为它的位置可预测

始终保持在同一高度

相比之下，旋转天鉤像太空中的巨型流星锤一样摆动

在与轨道上其他物体交互时

可能带来挑战与潜在风险

至少对地球周边长期、高密度使用而言是致命的

在火星等新开发区域

或轨道上物体不多的新殖民地部署

它们可能特別有优势

现在我们来讲 旋转天鉤

顾名思义，它是 旋转 的

是更短的简化版太空电梯

旨在以动態高效的方式弥合通往轨道的差距

旋转天鉤的基本概念是

它会旋转

而非像传统天鉤那样单纯悬掛

常规天鉤在其高度的运行速度低於轨道速度

而旋转天鉤的旋转运动

进一步降低了摆动底端相对於地面的速度

相反，在摆动顶端

旋转会增加速度

让它能以高速將太空飞行器向外拋出

旋转天鉤在垂直平面內旋转

类似摩天轮