太空天钩——最可行的“太空电梯”方案？

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　　2017年8月28日原创《

　　2019年6月3日原创《

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　　来源 | 航天爱好者（hangtianfans）

　　作者 | 土星V号

马斯克曾经说过，让人类成为多星球种族的核心是降低太空发射成本，因此需要研发可重复使用火箭。从SpaceX迄今为止接近5年的重复使用猎鹰9火箭结果来看，马斯克给出的答案是正确的解法，但是不是唯一的一个解法呢？或者说，有没有比SpaceX更好的解法呢？

　　SpaceX非常直观的降价

　　根据SpaceX官网的数据，猎鹰9火箭往国际空间站送货每千克花费大约为2720美金，仅是航天飞机轨道器每千克54500美金的20分之1。但这依然是一个非常高昂的价格，举例而言人正常情况下每天要摄入3升左右的水，意味仅送一个宇航员一天的水摄入量便需要8160美金。要解决太空发射成本过高的问题，还要先理解为啥往太空送东西会这么贵。

　　SLS一发的费用，约等于156发猎鹰9……（这是按照9.7亿美元一发计算，现在发射成本预估在15-20亿美元之间）

　　要离开地球进入近地轨道，载具需要达到大约7800米/秒的相对地表速度，由于需要推进剂来带推进剂，火箭绝大多数质量和体积都是推进剂，比如猎鹰9火箭发射时96.6%的质量都是推进剂。然而高速带来的动能在返回地表时却成了负担，大气摩擦把动能转换成了热能加热大气层和返回载具本身，也就是说往太空送东西这么贵的原因，是因为每次发射实质上都是浪费了许多推进剂在加热大气和返回载具上，这还没有算上保护载具的热防护系统开销。讽刺的是化学动力火箭的高额开销早在人类进入太空半个世纪前就已经被熟知，1895年俄国火箭先驱齐奥尔科夫斯基，没错就是那个算出了火箭方程的齐奥尔科夫斯基，在看了巴黎的埃菲尔铁塔后提出了建造一个从地表直达太空的高塔以替代可抛式火箭。

　　齐奥尔科夫斯基设想的“通天塔”

　　虽说很快齐奥尔科夫斯基便发现材料技术无法支持高塔所需的的极限拉伸强度，但他依旧认为未来类似的设计会出现。他没有猜错。事实上哪怕到今天，都没有任何材料能满足太空电梯的要求，由于要覆盖3万6千千米的长度且保证整体结构的完整性，缆绳式太空电梯需要至少100吉帕斯卡（10^9）的拉伸强度，约为钢铁的20倍，理论上的碳纳米管也仅130吉帕斯卡，这还没有考虑材料的质量问题。

　　缆绳式太空电梯设想

　　在齐奥尔科夫斯基公布他想法后大约100年，一位名叫Sarmont的科学家在1990年首次提出了类似太空电梯但却能通过现有材料实现的方案，并将其正式取名为Orbiting Skyhook太空天钩。太空电梯和地表接触意味着顶端必须要在地球同步轨道，3万6千米的高度导致材料要求高，既然如此那不和地表接触不就完了？太空天钩的设想因而诞生。

　　太空天钩示意图

　　太空天钩正如其名是在太空中飞行的“钩子”，和空间站类似不过在上端和下端分别有强化缆绳连接的小型对接装置，上端距离地表4000千米下端距离地表约150千米。亚轨道太空飞机在下端对接送货后通过电梯把货物送到位于质心的空间站，再转电梯送到上端的释放口，返回地表时走反向步骤即可。物理意义上讲太空天钩与其说是一个钩子，倒不如说是一个轨道能量储存交换器，上端货物向下运输时会拉高天钩整体质心，把高轨道货物的能量转为天钩轨道高度增高的势能，下端货物向上运输时同理也会拉低天钩整体质心，此时天钩的势能再转换为低轨道货物的势能。货物质量差别造成的能量不同，可以通过天钩自带的离子推进器来弥补，天钩的质心在2000千米高度已几乎没有大气阻力，很适合离子推进器这类推力小但比冲高燃料利用率高的引擎。

　　用直观的图来理解，物体到达一个轨道的动能是上图中的黄色部分，随着轨道越高相对地表速度就越缓动能就越低。垂直于地表的缆绳，同样的角速度下半径更长的上端线速度更快动能就越高，太空天钩是用上面多余出的蓝色三角形动能，来弥补下面多余出的同样面积的黄色三角形动能，完成近乎无损失的能量交换。

　　由于天钩下端仅在185千米处左右的大气边缘，可重复使用的亚轨道飞机，比如维珍银河的太空船2号，不需要到达近地轨道所需的7800米/秒的速度便可对接。同理从太空返回的载具也不需要额外的质量用来隔热，不需要大气减速也就意味着没有和大气的摩擦，速度转换成了供下次发射用的势能而不是热能。换句话说，太空天钩的设计实质上是节省了过去浪费的加热大气层和太空载具的推进剂，除此之外整个发射过程没有抛弃任何东西，能进一步降低发射成本。

　　太空天钩的登月方案简洁明了毫无浪费

　　太空天钩只需要30吉帕斯卡的拉伸强度，理论上氮化硼纳米管和碳纳米管都有冗余。且和全球固定的几个发射场以及固定在一处的太空电梯相比，在近地轨道边界2000千米的太空天钩每隔几个小时便会环绕地球一次，亚轨道飞机可在全球任何机场起飞和天钩对接。同样卫星也不用受到发射场的限制，比如美国西岸的范登堡由于火箭残骸的原因不能向东发射，也就无法发射地球同步轨道卫星。但范登堡起飞的空天飞机就可以朝东飞和太空天钩对接，完成同步轨道卫星的发射。数个在更高轨道的天钩还可像大坝多级船闸一样接力，完成货物从近地轨道到月球火星转移轨道的输送。且和太空电梯需要配重主动保持和地表垂直的平衡不同，在太空“自由悬浮”的天钩受到地球引力影响会自动通过引力梯度平衡保证缆绳的垂直。由于引力遵循平方反比定律，2倍的距离意味着4分之1的引力，接近地表的质量，及太空天钩的下端引力更大，会产生一个垂直于地表的拉力稳定下端缆绳。同理太空天钩上端的引力最小，质心处会产生额外的拉力稳定上端缆绳。

　　美国早期的Transit海洋通讯卫星（上世纪60年代开始）便采用类似的引力梯度稳定设计，通过卫星背后18米的配重，确保天线稳定朝向地表。

　　Sarmont在1990年提出的非旋转式太空天钩概念，其实是完善了1977年另两位科学家Hans Moravec 和Robert L. Forward提出的旋转式太空天钩概念。相比较前者，后者的能量交换方式是更为暴力的旋转式，及下端固定住亚轨道载具后直接通过上端的配重“甩”入高轨道。

　　这看似直接简单的过程实际上却有很多明显的问题，首当其冲的便是像过山车式的设计乘坐起来很不舒服，其次便是几千千米长的缆绳旋转占用的空间极大，增加和邻近轨道卫星相撞的可能性。且旋转式意味着亚轨道飞机只有数秒的时间和下端天钩对接，一旦错过便要再等数小时不说，还容易造成连接不牢固的安全隐患。非旋转式下端的对接没有时间限制，且由于非旋转式天钩自身也是空间站，可以选择合适的轨道和时间来释放下端和上端货物，一个便可满足多个不同轨道的发射。旋转式则由于能量以角动量形式储存，释放只能在高点和低点完成，大幅度限制了单个天钩所能满足的轨道。

　　有趣的是太空天钩最值得未来建造使用的地方，并不是在地球而是在火星。只有三分之一地球引力的火星更适合建造类似的太空天钩服务往返于火星表面和星际飞船，且火星的太空天钩有天然的支撑点火卫一和火卫二。火卫一近地点距离火星仅9234千米旋转周期仅7小时，火卫二稍远23455千米旋转周期约30小时，两颗卫星的轨道面都和火星公转轨道面接近且都被火星潮汐锁定，意味着永远以一个面朝向火星。且和地球上天钩需要调整轨道完成能量转换不同，人造载具的质量相比较火星两颗卫星的质量都可以忽略不计，太阳系中都找不到比这两颗卫星更适合当太空天钩支撑点的天然星体了。火星上的载具可以实现重复利用往返地球的同时，天钩还可当作向外太阳系尤其是小行星带发射的跳板，最大限度利用火卫二的公转来节省推进剂。

　　相比较300天的转移轨道，天钩星际旅行最短只需要90天到达火星

　　这大概便是除去得克萨斯州那个不锈钢罐水塔外，以现有的科技技术最有可能办到的解法了。建造半永久的太空运输设施看似有些科幻，但不要忘了火车的普及是因为修了铁轨，汽车的普及是因为铺了高速，飞机的普及是因为造了机场，太空旅行的普及也需要对应的设施支持。

　　本文转载自“航天爱好者（hangtianfans）”，原标题《太空天钩——最可行的“太空电梯”方案？》，作者 | 土星V号

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