如果太空电梯与缆绳断开会如何?

36氪的朋友们·2022-01-25 15:45
我们或许应该庆幸,目前我们还停留在利用化学火箭探索太空的阶段。

新浪科技讯 北京时间1月25日消息,据国外媒体报道,在Apple TV剧集《基地》的第一集中,有一名恐怖分子试图破坏银河帝国的太空电梯。我们不妨借此机会想象一下太空电梯会涉及哪些物理原理,以及假如太空电梯真的发生了爆炸、可能会有什么后果。

人类似乎很喜欢把东西送到大气层以外,比如天气卫星、空间站、GPS导航卫星、詹姆斯·韦伯望远镜等等。但就目前而言,将物资送入太空的唯一手段仍是利用受控的化学爆炸,俗称“火箭”。

火箭虽然很酷,但成本高昂、效率偏低。假设我们要将1千克物资送到近地轨道上,距地表约400公里,高度和国际空间站差不多。要想将物体送入轨道,我们要完成两件事。首先,我们要将该物体送到400公里的高度上。但如果只提高海拔高度,物体是无法长时间留在太空中的,很快便会坠落回地球表面。因此要想让其留在近地轨道上,我们必须让物体动起来,而且要动得足够快才行。

先简单解释几个能量小知识:我们向一个系统中投入的能量(又称为做功)与该系统中的能量变化总和相等。我们可以给不同类型的能量建立数学模型。动能取决于物体的运动速度,物体速度越快、动能越大。重力势能取决于物体与地球之间的距离,因此物体海拔越高、重力势能越大。

因此,假设我们用火箭增加物体的重力势能(将其抬升到正确的高度上)、同时增加其动能(将其加速到足够快)。物体要想沿着轨道旋转,速度其实比高度更重要。物体只有11%的能量归属于引力势能,其余皆为动能。

将仅仅1千克的物体送入轨道,就需要耗费3300万焦耳的能量。而相比之下,如果将一本书从地板上捡起来、放到桌子上,只需耗费10焦耳。可见将物体送入轨道所耗的能量是多么惊人。

但真正的问题其实比这还要棘手。利用化学火箭,真正耗费的不仅是将1千克物体送入轨道的能量,因为火箭还要携带飞至近地轨道所需的燃料。在燃料用完之前,它们只会增加火箭载荷,这意味着火箭发射时需要携带更多燃料才行。在现实中,许多火箭携带的燃料占到了总重量的85%,效率可以说极其低下。

那如果我们不借助化学火箭发射物体,而是拉一根直通太空的缆线、让物体沿着缆线爬升呢?

太空电梯的基础知识

假设我们已经建起了一台400公里高的巨塔。你以为只要坐上电梯、升到塔顶,就能进入太空了对吗?事实可没有这么简单。

首先,这种结构很难用钢铁搭建而成,否则高塔的底部很可能被自身重量压垮,而且耗费的材料量也太过庞大。

但最大的难点还不在这里,速度也是一大难题。(别忘了,必须达到足够的运动速度才能停留在轨道上。)由于地球一直在自转,如果塔的基座位于地球赤道上,位于400公里高度上的塔顶就会处于高速运动状态。地球自转一圈大约需要一天时间,因此角速度约为每秒7.29 x 10-5弧度。

角速度与线速度不同,用于衡量旋转速度。(弧度是衡量旋转大小的单位,与角度是两个不同的概念。)如果两个人在同一根旋转臂上旋转,两者角速度相同(假设均为1弧度每秒),但离旋转中心较远的人移动速度更快。假设其中一人距旋转中心1米,另一人距离中心3米,二者的速度就分别为1m/s和3m/s。地球自转也是同理,只要距地球足够远,地球自转便能使你达到围绕地球旋转所需的轨道速度。

不过事实上,距地球越远,轨道速度就越低。随着到地表的距离从400公里增加到800公里,轨道速度会从7.7km/s下降到7.5km/s。看上去似乎差别不大,但别忘了,这里最重要的是轨道半径、而非到地表的距离。虽然从理论上来说,你可以建起一座足够高的高塔,只要从塔顶步入太空,便可进入轨道旋转。但这座塔的高度得达到36000公里,根本不可能实现。

海拔36000米的轨道其实有个特殊的名字——地球同步轨道,意味着该轨道上的物体旋转一圈所需的时间与地球自转一圈刚好相同。如果将物体送入赤道正上方的地球同步轨道,其相对于地表的位置将永远不变。(这样的轨道又叫地球静止轨道。)这点很有用,因为我们随时可以找到地球静止轨道上的物体,大大简化了我们与电视卫星、天气卫星、或者负责监控地表特定区域的卫星之间的通讯交流。

再说回太空电梯。如果我们无法让电梯“拔地而起”,能否反其道而行之、从地球静止轨道上垂下一根36000公里长的缆绳呢?这样不也算是太空电梯吗?

要想成功,位于地球静止轨道上的缆绳固定物必须质量足够大,要么是座空间站,要么是颗小行星,这样每当有物体沿着缆绳攀升时、才不会将固定物往下拉。

但看到这儿,想必你已经能看出太空电梯的问题出在哪里了:谁会愿意打造一根长达36000公里的缆绳呢?要想达到这样的长度,即使是最强韧的材料(比如凯夫拉尔纤维),也必须做得极粗、才不会断裂。当然,缆绳越粗,下挂的质量就越大,这就意味着缆绳的上半部分必须做得更粗、才能承担下半部分缆绳的重量。如此看来,这种设想根本不可能实现。要想成功造出太空电梯,只能寄希望于未来找到某种超强、超轻材料,比如碳纳米管。也许我们有朝一日能化想象为现实,但短期内肯定无法实现。

如果电梯缆绳掉下来怎么办?

在《基地》第一集中,有人引爆了炸弹、使太空电梯顶端的站台与缆绳的其余部分脱离开来。缆绳落回地球表面,的确造成了一定破坏。

那么在现实生活中,如果太空电梯的缆绳真的发生坠落,又会发生什么事情呢?假设将缆绳分为100段,每一段都在围绕地球运动,但角速度均与地球相同。如果是现实中的太空电梯缆绳,我们还需要考虑每段缆绳之间的张力。但在简化版模型中,我们只考虑各段缆绳受到的地球引力。

接下来会发生什么呢?由于不考虑各段缆绳之间的张力,缆绳的下半截会坠落到地球表面,可能会造成严重破坏。在本次采用的模型中,这部分缆绳落回地面后,包住了三分之一的赤道。尽管从理论上来说,缆绳的长度足以围着地球绕上一整圈,毕竟地球的周长只有4万公里。

但并非整根缆绳都会坠落到地面上。如果缆绳片段开始时的高度足够高,在下落过程中,随着它们离地表越来越近,速度也会越来越快。如果下落速度足够快,它们或许能形成一条非圆形轨道、围绕地球旋转。对住在赤道上的人来说,这是件好事,毕竟这些碎片可以停留在太空中、不会砸到他们脑袋上。

当然,如果缆绳依然完整,每个片段之间都会相互拉扯,因此坠落到地球上的缆绳会更长。但缆绳之间的拉力迟早会强到将缆绳扯断,最终还是会产生大量太空碎片。

所以总而言之,太空电梯搭建起来不仅十分困难,还有缆绳断裂和掉落的风险。我们或许应该庆幸,目前我们还停留在利用化学火箭探索太空的阶段。

本文来自“新浪科技”,作者:叶子,36氪经授权发布。

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