SpaceX再放深水炸彈？日本卻表示太不划算！美國：至少還要50年！
6月17日，馬斯克又搞出大事件了。
根據馬斯克計劃，2-3年內，SpaceX公司將開始測試「環球客運」。通過這艘「星際飛船」，從紐約到上海只需要39分鐘。
5月30日SpaceX公司發射「龍飛船」
超模君不禁想起，半個月前馬斯克通報全公司的一封霸氣側漏的郵件：我們的首要任務是星際飛船。
言猶在耳，馬斯克卻一如既往地果決，這麼快就又放了一個深水大炸彈！
事實上，同樣是人類探索太空，除了火箭、星際飛船外，還有一個已經讓科學家為之著迷的方法：太空電梯。
最著名的是2012年日本宣布的「太空電梯」計劃，其中號稱最快2030年開始建造太空電梯，2050年能正式投入使用。
據說太空電梯時速200公里左右，每次核載30人，只要花一個星期時間就能上天了！
《星際探險》
我們看著火箭和太空電梯相去甚遠，其實它們都是同一位神人提出的概念。
我有一個飛天夢
這位神人就是康斯坦丁·齊奧爾·科夫斯基，被譽為「人類航天之父」。我們登月用的火箭就是他提供的理論方法。
他一生中大部分時間住在小木屋裡自己思考鑽研，發表了世界上第一篇理論上論了火箭作用的論文：《利用反作用力設施探索宇宙空間》，還算出了地球逃逸速度：8千米/秒。
但其實康斯坦丁連小學都沒讀完，完全是靠自學，完成了高等數學、物理和化學的課程。
說到太空電梯的啟發，其實是一個偶然：1895年康斯坦丁訪問法國，在巴黎參觀了當時世界最高塔：埃菲爾鐵塔。
他當場被埃菲爾鐵塔的高度震撼了，萌發了一個想法：若是這個高塔繼續搭建，一直延伸到天際，我不就可以去到太空了？
隨後回到蘇聯，康斯坦丁提出了人類歷史上第一個「太空電梯」的概念。
一條10萬公里長的繩索
雖然康斯坦丁早早提出了「太空電梯」設想，但是在長達半個世紀里太空電梯都只存在於猜想中，連概念圖都沒有。
? ?美國航空航天局太空電梯概念圖
直到1960年，蘇聯的工程師尤里·阿爾楚塔諾夫第一次將它具現化。
按照我們的想法，建高塔通常都是現在地面打好地基，再一層一層往上修建。
可是，如果是從地面開始建造，幾百米高樓倒還好，幾萬公里的高度卻很容易偏離軸心，歪到天邊去。
比薩斜塔
所以尤里的設想恰恰相反，他的想法是先發射一顆衛星到地球靜止軌道上，從空中扔一條綁著重物的繩索下去，這樣就能定位到赤道表面。
這裡補充一個知識點：地球靜止軌道是指地球赤道上空約3.6萬公里的同心圓的軌道。
因為它的轉速和方向都與地球自轉都一致，所以它看起來就像靜止了一樣。
地球靜止軌道
如果衛星是在其它軌道，電梯會隨之一會兒長一會兒短，不但不安全，說不定還會因為衛星轉得太快給地球捆上幾個結。
所有說，整個太空電梯應該垂直於地球赤道。
從太空中看上去就像從地心裡直直地凸出來的一根針
但是當年尤里找遍了所有材料，卻發現：就算是一根麻繩，當它長度達到3.6萬公里時，它的重量也足以把天上的衛星直接拽下來。
隕石墜落
所以為了能夠讓這條繩索安安穩穩地保持伸直狀態，必須在衛星相對於地面的反方向延長同樣的長度。這樣一來，繩索就長達7.2萬公里了。
可是這還僅僅是保持平衡狀態！這時候隨便來個人輕輕一拽，衛星就又變成流星了。
沒辦法，尤里大手一揮，索性再次延長繩索，據說是要一直延長到10萬公里以外！
最後再用一架升降機來攀登這根繩索，就是電梯的初始模型了。
尤里的太空電梯模型
但是問題又來了，10萬公里都趕上地月距離的1/4了，分分鐘月球的攝動就會把電梯搶走了！
攝動指一個天體繞另一個天體按二體問題的規律運動時，因受其它天體的吸引或其他因素的影響在軌道上產生的偏差，這些作用與中心體的引力相比是很小的，因此稱為攝動。
科學家轉念一想，索性不費材料拉那麼長了，乾脆在遠離地面一側綁上足夠重量的配重來平衡算了。
事實上，尤里的方案基本只在科學圈流傳，而真正讓太空電梯廣為人知的，其實是克拉克的一部科幻小說——《天堂的噴泉》。
地球靜止衛星軌道也稱「克拉克軌道」。
文中詳細論述的地球同步靜止衛星細節，直到如今仍然被所有商業通訊衛星採用。
克拉克在書中寫出了自己的「天才」技術方案：太空電梯實現的基礎是高強度纖維材料「蛛絲」。
超模君想，怕不是要用上蜘蛛俠的蛛絲才能行吧。
只能生產0.5米
如果按照康斯坦丁最初設想的，用鋼鐵來做數萬公里的繩索，它分分鐘就會因為重力，被自己的重量拉斷腿！
鋼索崩斷
這裡再補充一個知識點：高層建築都要計算長細比。這有利於幫助工程師選擇適合的建造材料和結構鏈接方式。
長細比（Slenderness) 是指桿件的計算長度與桿件截面的迴轉半徑之比。
這個長細比在材料學中也稱為柔度，嚴格意義上，它還要考慮結構之間的連接方式，這裡為了方便理解，我們只進行簡單的計算。
比如目前世界上的最高建築哈利法塔，它高達828米，長細比約為10:1；如果不考慮長細比，可能哈利法塔就會變得像拉麵一樣綿軟無力，隨時坍塌。
哈利法塔
而太空電梯更誇張，長細比分分鐘超過10000:1，這對材料的要求就更加嚴格了。
超模君了解到，目前世界上最高的電梯是我國張家界的「百龍電梯」，高達335米。
遊客形容：坐這電梯就跟坐孫悟空的筋斗雲一樣刺激。
它的主力繩索用的是一種飛機材料：碳纖維與鋁合金合二為一。
所以理論上來說，我們要找到比飛機材料的重量更輕，延展性更強的材料來做這條繩索。
那為什麼日本就敢宣布：最快2050年旅客就能用上太空電梯呢？
其中最決定性的因素就是1991年，日本發現了超自然材料碳納米管。
碳納米管
據數據分析，這種材料完全能夠滿足這條主力繩索的所需要的要求：又輕又有韌性。它的抗拉強度是鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6。
斷裂長度：不鏽鋼為25.9米；碳納米管為4716-N/A
據說，理論上這種材料不應該出現在自然界中。但是奇怪在它突然被科學家發現了，而且人工復刻還非常困難，就像是外星人或者遠古地球高等文明不小心丟失在那裡的。
不過讓人失望的是，目前這玩意兒最多只生產了0.5米。
所以，對於日本的驚人計劃，美國是這樣回應的：再等50年吧！
寫在最後
雖然在現實中，科學家連個雛形都還沒造出來；但是藉助科幻電影、小說，我們已經能體會到太空電梯的驚人魅力了！
《三體》中的太空電梯
隨著技術的進步，再加上各學科之間的交叉、融合，超模君相信：太空電梯這個腦洞肯定會被逐步實現。
也或者，我們還沒發明出太空電梯，就能研製出更高效的航天方式。
一旦這些產業搭建起來，人類、地球和宇宙之間的關係都會發生變化。對於每一個人來說，太空不再是虛無縹緲，遙不可及的。
正如航天之父康斯坦丁斷言：地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠生活在搖籃里。
作者簡介：超模君，數學教育與生活自媒體博主，新晉理工科奶爸。出版過《芥子須彌 · 大科學家的小故事》；《數學之旅·閃耀人類的54個數學家》。後續數學文化創意多多，歡迎關注認識！
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