1935年9月19日,俄罗斯、苏联的火箭专家和宇航先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基逝世,他一生中大部分时间都是在莫斯科南部郊外的木屋中度过。正是这样一位孤寂的隐士,提出了在《天堂的喷泉》《三体》等科幻小说以及无数科幻游戏中实现的重要概念——空间电梯。
地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中……人类现在还软弱,但已经改造了地球表面。几百万年以后他们可以改变地球表面、海洋和大气。他们要像控制地球一样控制气候和太阳系。他们会穿越我们的星系,他们会到达其他太阳那里寻找新的能源来代替我们已经老化的太阳。
——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(1857年9月17日-1935年9月19日)
光阴流逝时代变迁,科学进步技术创新。人类社会积累至今,曾经用来理解宇宙的神话和传说,逐渐演变成更符合实际的科幻。虽说物理法则仍制约着人类,但这不妨碍我们以幻想的方式,探索和求知太空的方方面面,各种小说、动漫、影视等文化作品,更是早就跨越宇宙空间的距离。
说起天梯一词,大多数人想到的应该是各种游戏中的玩家排名,从最早的街机游戏中的分数列表,到如今各种在线对战类游戏中的名次。部分人会想到一张图表,上面是按年份排列的PC机、本本、手机的CPU和显卡之类……不过今天要说的,其实是科幻中的天梯,联通地表到近地轨道的设施。
当代科幻题材的文化作品中,天梯频繁出现,已经成为某种近未来的不可或缺的 “标准配置”。而这个标配,也被冠以太空梯、太空电梯、轨道电梯等名称。不过,这些并不重要……
所以,天梯的葬礼是怎么回事?所谓的“竣工庆典”又是什么意思?
在哀悼或庆祝之前,先了解下天梯的“生平事迹”吧。
这满载人类奇思妙想之物是什么时候出现的?又是谁的神奇构想呢? 凡牵涉天梯的话题,有一人无法绕过避开,此人就是——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,1857年9月17日出生于莫斯科南部梁赞州的一户中产阶级家庭,父亲是波兰人,母亲是俄罗斯人,由于幼年患猩红热损伤了听力,只能在家自学。后来参加中学教师资格的考试,人们才对他的数学才能惊叹不已,齐奥尔科夫斯基也顺利成为一位中学数学教员。
直到1920年退休,他都在研究宇宙航行和火箭推动力的各方面理论,被公认是人类宇宙航行之父。他最著名的作品是1903年出版的《利用反作用力设施探索宇宙空间》,是第一部从理论上论证火箭作用的论文(记住他专攻火箭)。齐奥尔科夫斯基一生出版了500多部关于宇宙航行的著作,包括一些科幻作品。至于他和天梯的关系……
作为俄罗斯人,对法国总是很有情怀的,曾经沙皇俄国时期的王室和贵族们,极为推崇法国的一切,甚至以法语作为日常交谈用语。在1895年时,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在访问法国期间,亲眼目睹早有耳闻的埃菲尔铁塔,惊喜和激动之余,他从这改变巴黎天际线的壮观建筑获得启迪,没过多久就提出了天梯概念。
调侃地说,现在我们知道的天梯,是埃菲尔铁塔变来的……嗯,好像这么说也没错。所以,当下天梯这“科幻标配”的概念,早在百年前就被提出了。并且作为太空类科幻的基石和门槛,没有天梯就不算当代科幻。但概念是一回事,理论又是一回事,提出又经过百年时间,无数人参与下,天梯不断发展完善,理论也已日趋成熟。
如果当下即刻开工建造天梯,包括运行所需的设施、相关建筑、日常养护、周边服务区,以及人员配置等等,总体支出300亿美元左右足够了。
建造天梯并不复杂,原理也很简单,站在地面朝前扔块石头,石头会以抛物线落地,就算在太空,重力同样也会将石头拉向地面。但如果石头够快达到第一宇宙速度,也就是环绕速度所需的7.9km/s,石头就会开始绕地飞行。小时候都干过的这样的事,用绳子拴块石头转圈,速度够快石头就不会掉下来,而手中的绳索则会被离心力拉直。
利用这一原理所建造的天梯,大致由四部分组成,首先是顶端部分,即围绕地球同步旋转,距海平面约3.6万公里高空的平衡锤。其次是底端部分,在地球的锚定平台。然后是中间用以连接两者的缆线。最后是用作输送物资人员的升降舱。看起来很像电梯?是的,就是某种尺寸更大的电梯……
所以,造出来就可以了?
《席德·梅尔的文明4》(再来一回合的“野蛮”系列)就能建造天梯。正常游戏速度要2000点锤子,也就是生产力,不追求太空胜利是不会建造这玩意的。确定谁打算太空胜利,可以用伟人中的大工程师加速抢到天梯。真人真事,我对战时就这么陷害过朋友,然后他立马退出游戏,问怎么了,就回个“滚”字,唉……输不起的人啊。
因为《文明4》中的天梯,是赢得太空胜利的重要奇观——生产飞船各部件+50%的产能,在游戏中所谓的太空胜利,其实就是将生产火箭部件,然后将其发射到半人马阿尔法星(席德另外一款经典游戏《半人马阿尔法星》的背景,《文明5》还做过致敬篇《文明:超越地球》),所以没天梯打算靠发射火箭获胜,游戏难度陡增。
《文明4》中奇迹天梯完成动画
即便是游戏中,天梯的作用也是向近地轨道输送各种物资,提供些辅助支持的作用,而并非胜利目标。《文明4》的天梯,除对生产力有要求,还必须建造在位置纬度30度以内的低纬度地区,这在游戏中已降低标准,现实中要建造天梯,最佳地点应是赤道的平静海域。
国内外大堆科幻小说中,不少都有对天梯的畅想,就用大刘刘慈欣的文墨吧。在他获得雨果奖的科幻小说《三体》中,对天梯这样写道:“天梯三号是唯一一部基点在海上的太空电梯,它的基点是在太平洋赤道上的一座人工浮岛,浮岛可以借助自身的核动力在海上航行,因此可以根据需要沿着赤道改变太空电梯的位置。”
所以,建造天梯的难度不在资金,也不是本体需要的平衡锤、升降舱、或锚定平台之类,而是缆线。缆线所用材料必须极致轻盈、极致坚韧、极致稳定、以及足够便宜。人类技术发展至今日,能在达到如此苛刻标准的材料屈指可数,无非碳纳米管、石墨烯和金刚石纳米丝几种,在此就不解释每种材料的特性以及相关资料了。
天梯的价值,就在于从行星地表,让人员和货物快速、廉价、频繁往返太空。往返货物?把货物送上去的好理解,返回地球的货物从什么地方来?货物来源当然是距离我们最近的天体——月球。
最初并没有月球,只有被称之为忒伊亚的行星,约45亿年前忒伊亚同地球发生擦撞(相对轻微),形成了今天的地月系统,而这个过程中,两者获得了对方部分物质,所以地球常见元素在月球很充足。月球表面的化学元素主要以氧、硅、铁为主,其他元素如钙、铝、镁、钛等等也非常丰富。氧不必多言,合成水、呼吸,或者作为火箭推进剂。硅能制造太阳能电池。而铁是以氧化铁的形式存在。
纪元系列《纪元2205》的游戏内容,就是在近未来建造天梯对月球殖民开发,也算是涉及此题材中的优秀作。在游戏中并不能直接前往月球开拓,得先在温带建造各种设施,完成各种任务,通过战斗获取额外奖励。然后才能解锁极地,前往极地,如此继续经营一段时间,达到若干要求才能进一步解锁月球。去月球是当然为了采集资源,只是游戏对现实情况大幅简化,将资源种类浓缩到钛、稀土、氦-3、月球冰有限的几种上。
月球不存在液态水,只有彗星和小行星的撞击带去的冰,被认为分布在那些太阳照射不到的陨石坑底,以脏冰的形式存在(细微冰屑同月球土壤的混合物)。即可是即便如此,一吨月球土壤的含水量还不到一千克,萃取和提炼消耗太大,得不偿失。游戏里大块大块的月球冰,恐怕不是那么容易找到。
虽说月球活动的确会耗费惊人,但作为游戏的《纪元2205》太苛刻了些,游戏中后期之间有个明显的经济断层,在破产边缘努力耕耘一番才算稳住阵脚。前往月球重要需求之一就是能源,当下热门的核聚变,就是准备利用月球上丰富的氦-3,进行可控核聚变生产的能源,来替代化石能源的污染和枯竭问题。
在开拓月球的前提条件之下,必然会产生对“太空物流”的需求,拥有天梯即可解决这个问题,人员和来自地球或月球各种物资,均可安全、快速、频繁地往返。平衡锤一端的周边空间,也会被利用起来,兴建如无人自动化太空工厂,以及太空港之类的设施,甚至建成装配和发射平台,作为前往火星的跳板。
看起来很美好啊?可真是这样吗?
人类就是如此。当某件发明创造,逐渐成熟完善拥有经济价值后,必然会延伸到政治领域,在拥有政治价值后,又会拓展到军事领域,又或者从军事价值开始,反向而行,最后抵达经济价值。无论哪种轨迹,最终,必然会成为各种关注聚焦的所在——谁能拥有,谁就掌握了持有的权力。
所以,一旦发生战争,事情就会变得尴尬,这些大型设施会成为非常容易得手的目标。就算没有战争,某些持有异常价值观,或者宗教激进分子,也会对天梯动歪脑筋。打算创造什么的时候,没多少人会在乎,但打算毁掉什么的时候,肯定会引起注意,破坏这样的造物必然造成巨大的轰动,诸如此类林林总总。
《使命召唤13:无限战争》就有这么段内容,向玩家呈现了强攻太空电梯的场面,游戏中要求消灭位于火星船坞太空电梯的守备部队。原本以为在关键的战略枢纽和剧情折点,必然有重兵把守,结果干掉少量士兵和机器人就草草收场,接着便进入上层太空船坞,一些室内战斗后,最后为摧毁太空船坞,主角大吼:“向我开炮!”……
天梯的脆弱不是底部和顶部结构,而是中间的缆线,这才是命门所在,随便找个部位截断,天梯崩溃就在所难免了。断裂会坠落上万公里的缆线,如此质量和规模的材料,会波及相当大的范围。问题在于,天梯并不是独立建筑,还需要各种周边设施提供支持。
比如贸易需要场所,货物需要仓储,商品需要加工,各种零配件组装线等等,火星赤道没有液态水,很多平民会生活在天梯周围。可在游戏中的天梯是从太空船坞,即顶部摧毁,那意味着什么?如果这场行动战死700余人,那么对平民的杀伤究竟会是多少?完成《使命召唤13》后,唯一的感受,就是自己扮演的是个恐怖分子啊!
游戏中天梯登堂亮相次数最多的游戏,肯定是《光环》系列无误,比起《使命召唤13》里的蜻蜓点水,《光环》各家严肃地展现了天梯存在的严重隐患,敌对方的星盟,曾多次针对天梯发动攻击,作为运输工具毫无防御力可言的天梯,瞬间成为毁灭性的武器,人类总是被这种攻击弄得焦头烂额。
天梯坠毁并不是一条绳索落地,其具体破坏力取决于切断点,如果切断点靠近顶层的平衡锤一端,天梯整体垮塌的过程中,结构解体会出现大量碎片轰击地表,会造成巨大浩劫。所以,我们好像不能把这么危险的东西,送给外星人,呃,或者高呼“向我开炮”的“恐怖分子”当武器。是吧……
玩笑归玩笑。既然建造天梯的目的在于——让频繁且大量的人员和物资往返太空和地球,需要一种廉价可行的方案来解决。但当下建造天梯,问题在于材料不过关,工艺没解决,技术有待实践和高昂风险。那么有没有折衷的办法,能进行频繁的输送,又足够便宜,且不需要开发新材料,不必研发工艺和技术,风险降低到能被接受的范围?
答案是——有。
人类近百年的太空探索过程,已经积累了大量的技术储备,一切都是现成的不需要从头开始研发,只要将这些技术正确的整合起来善加利用。但最大的障碍,实际上来自政治,包括美国、欧洲、俄罗斯、中国等主要航天国基于各自的理由,均禁止民间对太空的开拓活动。这些限制持续到于2010年6月,时任美国总统的奥巴马,修改了前任美国总统小布什所制定的太空政策,并向民间开放经营许可,美国政府转向支持太空活动商业化。
火箭发射立刻成为急待开发,且利润惊人的新兴产业,短短几年时间,各个企业角力竞争之下,这个产业有了惊世骇俗的表现。像是SpaceX(太空探索科技公司),主攻火箭垂直降落,将其回收后补充燃料再度发射,如此重复循环来日进斗金,其实这生意里面是笔经济账。
科幻中的天梯,预期能把送入太空的承载,每公斤花费降低到200-300美元,问题在于NASA(美国航太总署)这样的国家机构,发射一枚火箭消耗1亿5000万美元之巨,输送一公斤承载需1万美元左右。那么先放弃天梯概念,仅保留天梯目的,再换了个思路,并将成本控制做到极致,会发生什么?
猎鹰9号运载火箭经历多个版本升级后,造价已经被逐渐压缩到1600万美元,而每次发射成本则控制到6000万美元,而GTO载荷(地球同步轨道)却上升到8.3吨。如此,不需要怎么计算,也能看出其中玄妙所在——每公斤GTO载荷的花费,即将被压缩到7000美元附近。自诞生以来,浸润无数人心的天梯梦,在短短几年时间就被火箭终结。
天梯就这样死了,硬邦邦地死了,科幻的浪漫部件,被彻底粉碎、埋葬、盖棺定论。这个百年前兴起的科幻概念,在人类期待中的不经意间,以最直接的方式被提前完成,而且所用手段是——火箭,以及严格的成本控制。相比,这个方式既不隽永,也不史诗,相反带着一定的简单粗暴。是啊,残酷的现实,逼死了浪漫的科幻……
值得一提的是,按照惯例,新任的美国总统川普,也会重新审视NASA的计划。他的政策顾问查尔斯·米勒认为用 SpaceX的猎鹰重型火箭送宇航员登月是个“经济实惠的好选择”,而且报告都已经给出,可以想象NASA方面的尴尬,而且SpaceX也在推进自己的火星计划。所以,这又算是民间逼死官方?
至于猎鹰重型运载火箭,发射时间是今年11月。GTO载荷被提升到22.2吨。配合在赤道海域的回收平台,再扩大发射规模,成本将继续下降。如果说猎鹰9号只算测试的话,后续更多升级和新火箭,每公斤承载费用跌落至200-300美元只是时间问题。剥去浮华的表象后,天梯的构想和目标以另一种形式“竣工”了……
还记得,航天先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基吗?亲眼目睹巴黎的埃菲尔铁塔,激情澎湃的他想到人类可以在升降梯经由直入云霄的缆线进入太空,从而产生了天梯概念。最后,他失败了,天梯成为失去科学价值的幻想。最后,他也成功了,一辈子都在研究的火箭,将人类送入太空,送上月球,变成“天梯”,最终还将前往火星。
天梯已死,“天梯”已竣工。想必老爷子泉下有知,也会对自己的正确判断,倍感欣慰吧。
几年前听闻可回收火箭,只觉不可思议,狭窄的记忆中火箭都是一次性使用的可丢弃配件。亲眼目睹才明白,原来问题在官方主导的太空探索活动是不在意成本的,从来没想过用十分之一的开支,去获取百分之百的结果。瞬间抛弃天梯的我,还为此同人争论一番,不过随着可回收火箭的成功次数越来越多,结果是不言自喻的。
比如《席德·梅尔的野蛮》续作中,再也没有天梯这样的世界奇观,谋求太空胜利只需要直接制造部件即可,飞船的拼装也在是太空中完成的。显然各种游戏设计师,也在紧跟时代快速更新着陈腐的知识,至于《使命召唤13》应该是立项很早了,所以才会有天梯,至于其他各种文化产品中的天梯,也在逐步黯然离场。
唯一让人纠结的是,正在传闻中起伏多年的《三体》电影,到底会不会出现天梯,如果会,又将会怎么出现呢……
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