今年春節期間，科幻電影《流浪地球2》在全國各大影院上映，為(wei) 觀眾(zhong) 呈現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(nei) 容涉及相當多的航天技術和概念，其中一些是已經實現了的，還有一些是未來可能實現的，可謂有虛有實。

太空電梯

《流浪地球2》是首部完整而詳細展示“太空電梯”這個(ge) 概念的中國電影。在電影中，聯合政府在非洲加蓬共和國的大西洋海岸上建造了“移山計劃”一號行星發動機試驗機和一座高達9萬(wan) 千米的太空電梯，借助太空電梯強大的運力以快速建造方舟號國際空間站。

電影《流浪地球2》宣傳(chuan) 海報

這座太空電梯的核心是位於(yu) 靜止軌道上的太空電梯船塢，方舟號國際空間站就在這裏組裝。同時電梯還包括位於(yu) 9萬(wan) 千米高度的配重和海麵上直徑3千米的基座。9座轎廂由216根碳納米管纜繩牽引，以快速往來於(yu) 地麵和空間站之間。這是人類曆史上最高的建築，是新時代的“巴別塔”。

說到太空電梯，一些人會(hui) 想到古巴比倫(lun) 的“巴別塔”，也有人會(hui) 想到現在位於(yu) 阿拉伯聯合酋長國迪拜市的哈裏發塔。實際上太空電梯最早的提出者是人類航天事業(ye) 的先驅齊奧爾科夫斯基，他在參觀法國巴黎的埃菲爾鐵塔時想到了這一點。但這些建築實在是太矮了。目前地球上最高的建築哈裏發塔，也隻有區區828米。《流浪地球2》中的太空電梯的高度是它的10萬(wan) 倍。如果我們(men) 仍然像建造一棟樓一樣從(cong) 地麵往上爬，則這棟樓很快就會(hui) 被自重壓垮。那怎麽(me) 辦呢？

實際上太空電梯並不是一棟樓，而是一顆尺寸達到9萬(wan) 千米的衛星，確保太空電梯的重心位於(yu) 靜止軌道上。既然無法直接從(cong) 地麵向上建設，那麽(me) 能否從(cong) 靜止軌道開始建造，保證重心持續位於(yu) 靜止軌道上呢？

由於(yu) 重力的遞減速度遠快於(yu) 離心力增加的速度，那麽(me) 在太空電梯9萬(wan) 千米的遠端，必定會(hui) 受到巨大的離心力。如果使用鋼材來建造太空電梯的話，在其遠端對材料的抗拉強度需求將達到恐怖的400吉帕，但是鋼隻有400兆帕，差了3個(ge) 數量級！

那麽(me) 就沒辦法了嗎？太空電梯末端的離心力取決(jue) 於(yu) 本身的質量，如果降低材料的質量，提升抗拉強度（提升比強度），那麽(me) 就可以實現了。

說得簡單，目前人類發現的材料中能滿足如此恐怖需求的隻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，需要的抗拉強度“隻有”80吉帕，而人類目前在實驗室中合成的碳納米管抗拉強度已經達到了200吉帕，看上去曙光即將到來……

但那可是9萬(wan) 千米的碳納米管纜繩啊，是中國目前現有運營高速鐵路總裏程（截止至2022年底為(wei) 4.2萬(wan) 千米）的2倍。但是在現實中，最初生產(chan) 出來的碳納米管都隻有幾個(ge) 微米的長度，並且充滿了結構缺陷——理想狀態下碳納米管是完全由單層的碳原子卷曲形成的，而結構缺陷會(hui) 極大的降低碳納米管的性能。

不過在2013年的時候，清華大學生產(chan) 出了半米長、結構完美的碳納米管材料，目前他們(men) 正在突破千米量級，預計達到9萬(wan) 千米應該隻是時間問題。

太空電梯建設的初衷是為(wei) 了擺脫對化學火箭的依賴，快速而低成本地從(cong) 地表出發抵達太空。《流浪地球2》中的太空電梯雖然沒有披露上下行時間，但其乘坐時超過9個(ge) g的加速度仍然是令人疑惑的。在同為(wei) 劉慈欣創作的的著名科幻小說《三體(ti) 3·死神永生》中的太空電梯需要20多個(ge) 小時抵達靜止軌道站。它的加速就很平穩。同樣的，如果仔細觀察《流浪地球2》中的太空電梯的話，它四角的8台發動機無疑是最醒目的。但是，如果都能建造一座巨大的太空電梯了，為(wei) 什麽(me) 還要使用化學動力呢？

《流浪地球2》中的空間站船塢——來自流浪地球2劇組發布的設定集

實際上這座太空電梯是一座軍(jun) 用電梯，並不考慮舒適度，而是要盡量壓縮太空旅行的時間，以加快建造方舟號國際空間站的進程。因此恐怖的加速度隻是它的一部分。

《流浪地球2》方舟號國際空間站

這座電梯使用了三階段加速。首先通過電磁彈射將轎廂發射出去，同時8台組合動力發動機同時點火，以巨大的加速度將電梯加到極高的速度使得其衝(chong) 出大氣層。在大氣層之外，從(cong) 靜止軌道空間站船塢上垂下來的電磁牽引裝置會(hui) 抓住轎廂並且繼續進行提升。太空電梯轎廂頂部還設計有4座反推發動機。如此複雜的設計正是為(wei) 了滿足高速往返的需要，乘坐這座太空電梯需要的體(ti) 質甚至遠超現有航天員，因為(wei) 目前過載最大的我國載人運載火箭長征二號F/G也隻有5.4個(ge) g的最大過載，未經過訓練的普通人乘坐該電梯會(hui) 被巨大的過載壓在座椅上，然後暈厥。這也是要穿抗荷服的原因所在。

以我們(men) 現有的技術，能否製造這座超級建築呢？答案是否定的。

實際上，人類目前完全無法建設這樣一座太空電梯。如果我們(men) 真的到了可以生產(chan) 出9萬(wan) 千米的碳納米管纜繩的時候，或許已經不需要太空電梯了。拋開前麵提到的問題，還有一係列新的問題。首先，來自近地軌道空間彌散的原子氧，會(hui) 對太空電梯的纜繩造成極大的損壞。我們(men) 現在可以看到一些運行了很久的航天器表麵老化，就是來自於(yu) 原子氧的腐蝕，而太空電梯使用的碳納米管更加脆弱。在國際空間站進行的站外實驗中，僅(jin) 僅(jin) 2年內(nei) 暴露試驗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，斷裂點上半部分的結構就會(hui) 永遠的飄離地球。

這還不是最大的問題，實際上太空電梯最大的問題來自於(yu) 對於(yu) 一個(ge) 長達9萬(wan) 千米的半剛性物體(ti) 的控製。當轎廂高速運行在電梯上時，其產(chan) 生的科裏奧利力完全施加在太空電梯上，給予其一個(ge) 剪切力。這種力會(hui) 使得碳納米管彎曲形成一種類似懸鏈線的結構，然後就把整座電梯拉下來了。無論是光壓還是太陽風都會(hui) 強烈影響電梯的姿態，同時轎廂上下移動會(hui) 少量改變電梯的質心分布，放大到整個(ge) 尺度來看將是致命的。無論是移動頂部配重還是安排單獨的移動配重都會(hui) 進一步增加係統的複雜度，況且這些移動帶來的振蕩會(hui) 使得整座電梯變成巨大的扭動的一條蛇，為(wei) 了補償(chang) 這些振蕩需要安裝大量的推力器組。為(wei) 太空電梯寫(xie) 控製率的人，或許要得個(ge) 數學領域最高獎“菲爾茲(zi) 獎”才能補償(chang) 。

在建造太空電梯的時候，第一根纜繩的布設就是一個(ge) 難到幾乎無法實現的工程。拖著一根繩子從(cong) 靜止軌道垂直往下飛到地麵，同時要將另一根繩子垂直向上布設，這一點對於(yu) 目前的人類航天技術來說還是太超前了。

總而言之，雖然太空電梯是人類曆史上最高的宏偉(wei) 建築，但目前是完全無法實現的。而當人類的技術真的達到了足夠的高度以建造它的時候，人類應該已經不需要它了。

太陽風暴

《流浪地球2》中有這樣一幕場景：在準備進行月球發動機點火試驗的時候，一場強烈的Z9級太陽風暴來襲，而人類的所有太陽風暴預警係統都沒有作出反應。強烈的高能太陽質子風暴席卷月麵，摧毀了原計劃用於(yu) 進行發動機點火控製的550C智能量子計算機。

太陽並不是平靜的等離子體(ti) 團，其內(nei) 部充滿了強烈的等離子體(ti) 風暴，包括太陽黑子和日珥這些相對平淡的太陽活動，和一係列強烈的太陽活動。其中能影響到地球的太陽風暴包括耀斑、日冕物質拋射、地磁暴和太陽質子事件，日冕物質拋射和太陽質子事件中的太陽風粒子速度可達到750千米/秒，能量則覆蓋10兆電子伏到數十吉電子伏。

日冕物質拋射圖

我們(men) 在地麵上很難感受到來自太陽的影響，是因為(wei) 地球磁場和大氣層攔住了它們(men) 。地球的磁層形成一個(ge) 巨大的離子鞘，將大部分來自太陽的射線阻攔在外。但它並不是無所不能的。1989年3月的特大太陽質子事件是人類航天史上最強烈的太陽活動，而在此之前的1859年太陽風暴使得強烈的高能粒子猛烈轟擊地球磁層，極光蔓延到了赤道附近。如果一次極其強烈的日冕物質拋射擊中地球的話，所有的電子設備都會(hui) 被高能帶電粒子毀滅，某種意義(yi) 上人類將退化到蒸汽時代。

對於(yu) 月球，其並不位於(yu) 地球磁層的保護內(nei) ，太陽風暴的高能粒子會(hui) 不受阻礙地直接衝(chong) 擊月球表麵，因此月球基地需要極厚的防護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(hui) 導致基地結構很重，目前常常考慮的設計是將基地埋入地下，利用岩層作為(wei) 輻射屏蔽，或者直接在地下熔岩管道中建設基地。

未來的月球基地概念圖

太陽風暴雖然強烈，但並不是無法預測。目前人類已經建立了足夠完備的太陽風暴預警設施——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(guan) 係天文台；日地L1點上的太陽和日光層天文台、先進綜合探測器、WIND衛星和深空氣象天文台；地球靜止軌道上一係列以地球靜止環境業(ye) 務衛星的太陽觀測載荷為(wei) 主的靜止軌道太陽監視係統，還有位於(yu) 太陽同步軌道上可以持續觀測太陽的中國“羲和號”和“誇父號”太陽探測器。

曦和太陽探測衛星

“誇父一號”先進天基太陽天文台衛星

這些設備可從(cong) 全方位探測太陽表麵的情況，在太陽表麵有活動跡象的時候提供預警，並且在速度較低的粒子抵達探測器的時候發出警報。我國計劃在日地L5（位於(yu) 地球公轉軌道上且落後於(yu) 地球60°）的位置發射探測器，由於(yu) 太陽表麵自轉的速度比地球公轉的角速度要快，在這個(ge) 位置的探測器將提前“看到”幾天後將對準地球的區域，通過觀測該區域以提前在太陽風暴將發生的時候感知並且發出預警。

巡天望遠鏡

影片中逐月計劃失敗後，月球將在太陽7天內(nei) 墜落至地球。當時聯合政府的控製站使用巡天望遠鏡，也就是中國的空間站望遠鏡（CSST）觀察月球。

中國空間站望遠鏡是我國首個(ge) 大型空間科學裝置，計劃於(yu) 2024年由長征五號B火箭發射升空。中國空間站望遠鏡發射質量達15500千克，最大包絡4.2米，采用一台2米口徑離軸光學係統，使用控製力矩陀螺穩定平台。雖然該項目常常被稱為(wei) “中國哈勃”，但實際上中國空間站望遠鏡和哈勃空間望遠鏡並非同類，而是和“歐幾裏得”望遠鏡，“南希·格蕾絲(si) ·羅曼”望遠鏡一樣屬於(yu) 巡天望遠鏡。這一係列望遠鏡並不追求高焦距以獲得較為(wei) 精細的角分辨率，而是通過大視場以快速掃視天區，及時獲取天象活動的信息。如果時間允許，再調用角分辨率高但視場小的望遠鏡進行精細觀測。

中國巡天望遠鏡示意圖

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

逐月計劃失敗的時候為(wei) 什麽(me) 中國空間站望遠鏡仍然在使用？其實這很正常。空間望遠鏡是非常昂貴且複雜的係統，並不會(hui) 在達到預定壽命後就放棄，而是會(hui) 持續使用。

中國空間站望遠鏡可以與(yu) 中國空間站交會(hui) 對接以補加燃料，理論上具備更換後端儀(yi) 器和轉折鏡的能力，其成像儀(yi) 器的性能可以在發射後通過在軌服務的模式得到較大提升。因此與(yu) 無論是哈勃空間望遠鏡還是遠在日地L2的詹姆斯·韋伯望遠鏡，或未來的南希·格蕾絲(si) ·羅曼望遠鏡比，其可維護性都更高。

科幻電影的效果在某種程度上反映了一個(ge) 國家的工業(ye) 技術水平和思想觀念，而解讀一部好的科幻電影則可以使得我們(men) 進行更加深入的思考。劉慈欣的科幻作品更像是對現實在未來的一種隱喻，而《流浪地球2》中無論是愛、希望還是責任，都代表了我們(men) 在災難當下的觀念。危難當頭，唯有責任，《流浪地球2》擔負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的發展，都或多或少會(hui) 來自於(yu) 一些早期的想法。科幻給我們(men) 帶來的不隻是幻想，一些想法真正地應用在了當下（如靜止軌道通信衛星），帶動了航天技術的發展。而技術的進步又促進我們(men) 產(chan) 生新的想法，這是一個(ge) 相輔相成的過程。