《三體》航天考（一）：太空電梯與階梯計劃

　趙洋 發表於  今天16:46

　　劉慈欣的科幻著作《三體》可謂中國科幻近年來的扛鼎之作。該書講述了外星人——也就是「三體人」與地球人類之間長達百年的故事。它所蘊含的龐大設定，對宇宙的恢宏描寫以及跌宕起伏的劇情，無一不深深抓住了讀者的心。

　　既然是關於地球和宇宙的故事，書中自然不乏劉慈欣對未來航天科技的設想。這裡，我們將探討書中提到的航天技術，比如太空電梯、核聚變火箭和曲率驅動，並對這些航天科技進行或現實、或科幻的考據。1、合理的航天技術路線圖

　　在得知外星人的入侵艦隊——三體艦隊——將於三四百年後抵達地球的消息后，人類的「危機紀元」來臨了。為了打造太陽系防禦圈，抵禦侵略，人們把打造大噸位長續航作戰平台（萬噸級太空戰艦）作為終極目標，把有待開發的技術分為關鍵技術和輔助技術。分清主次后，有限資源集中於技術瓶頸，逐級向技術頂峰攀登。其中，關鍵技術就是核聚變發動機和太空電梯。核聚變發動機，工質or非工質？

　　在物理學基礎研究被三體人鎖定，基礎理論無法發展的情況下，人們只能根據各學科現有發展情況確定指標參數，推測人類可能達到的各種技術層次。據此，中國太空軍規劃出萬噸級太空戰艦的三個技術層次，如下表所示：

　　技術層次    最高速度（公里/秒）     作戰半徑         生態循環能力

　　低技術層次    800                       海王星軌道內          無

　　中技術層次    4800                     柯依伯帶以外       部分循環

　　高技術層次    16000（光速5%）    奧爾特星雲附近    完全循環

　　為保證太空戰艦擁有足夠的推力和續航動力，戰艦上只能配備人類掌握的最高密度能量——核聚變能。這時，在推進方式的選擇上，航天界出現了分歧，航天實力派主張發展工質推進飛船。航空母艦指揮官出身的中國太空軍軍官章北海認為，在強大的三體艦隊面前，人類艦隊採用工質推進就是死路一條，太陽系將變成威海衛，人類太空軍將成為第二個北洋水師。最終他單槍匹馬，用一種有爭議的獨特方式解決了這一分歧，航天科研人員終於沿著無工質推進飛船的路徑前進了。可以說，沒有章北海選擇的正確道路，地球人就沒有未來。

　　在「危機紀元」最初的日子裡，化學燃料火箭、太空梭、空天飛機等航天器紛紛登場又匆匆謝幕。它們或是因為性價比低，或是因為不能滿足未來星際戰爭的需要而被淘汰了。最後的勝利者屬於集中所有資源攻關的無工質核聚變發動機。新突破，可能在哪裡？

　　太空艦隊需有天地往返系統、太空港口等基礎設施支持。於是太空電梯和大型永久式空間站應運而生。

　　輔助技術包括循環生態系統、深海狀態、人體冷凍、離子發動機、電磁發射器等。輔助技術與關鍵技術一樣不可或缺，只是它們處於技術舞台的聚光燈之外，不那麼引人注意。以艦載循環生態系統為例，這是小說中人類實現的最重要的技術突破之一。如果沒有自給自足的循環能力，人類後來的星艦文明、太空城、銀河系文明都不會出現，地球人或三體人也根本無法走出自己的家園，成為真正的太空文明。

　　大劉構造了這樣一個合理的航天關鍵技術發展鏈條，鏈條的每個環節又與輔助技術形成技術網路，共同勾勒出完整的技術畫卷。2、太空電梯，扶搖直上九萬里

　　

　　太空電梯想象圖。圖片來源：io9.com理論基礎

　　太空電梯是「危機紀元」中最先實現的航天關鍵技術。太空電梯源自一個古老的夢想——用天梯連接地面與天空，人可以通過此梯往返天地之間。這個夢想可以追溯至《聖經》時代。《聖經·創世紀》中有這樣一個故事：雅各布做夢沿著登天的梯子取得了「聖火」。後人便把這夢想中的梯子，稱之為雅各布天梯。

　　大劉在小說里這樣描述了太空電梯在21世紀二三十年代的試運行：

　　「所有的太空電梯都只鋪設了一條初級導軌，與設計中的四條導軌相比，運載能力小許多，但與化學火箭時代已不可同日而語，如果不考慮天梯的建造費用，現在進入太空的成本已經大大低於民航飛機了。」（《三體II》第216頁）

　　1979年科幻大師阿瑟-克拉克出版了《天堂的噴泉》一書。該書講述了人類靠一種強度極大但質量極輕的碳纖維材料把地球和同步軌道衛星連接起來的故事。書中的主人公為了這一工程耗盡心血，終於殉職於太空電梯上。在小說的結尾，人類已將所有的人造衛星都橫向相連並將它們與地球縱向連接，這個巨大的人造環帶好似給地球圍上一條項鏈。這聽起來更像天方夜譚而非務實的太空計劃。以至於當美國物理學家皮爾森於1970年提出太空電梯的概念時，人們對他的建議就是「改行寫科幻小說去吧」。

　　但工程師經過論證發現，以現有技術為基礎，太空電梯的夢想是能夠實現的。太空電梯的本質是建設一座永久性的「纜繩」式建築，將地面與地球軌道上的某一點連接起來，並允許運輸工具沿著這條纜繩行駛。聽起來這和我們常見的電梯確實大同小異，問題在於我們要連接哪兩個點和怎樣連接。

　　「天梯三號是唯一一部基點在海上的太空電梯，它的基點是在太平洋赤道上的一座人工浮島，浮島可以藉助自身的核動力在海上航行，因此可以報據需要沿著赤道改變太空電梯的位置。」（《三體II》第217頁）

　　同步軌道衛星相對它正下方的地面靜止不動。這種衛星都定點於赤道上空三萬六千公里處。要保證太空電梯相對於地面不發生漂移，只能一端建在赤道上，另一端連接同步軌道衛星。太空電梯實現的難度仍然很大

　　在真實世界中，要實現太空電梯的夢想，要比神話和小說中困難得多。建造太空電梯最大的挑戰在於找到製造電梯纜繩的材料。纜繩應該是一根高強度的長索。普通的鋼絲如果從9公里的高空中垂下來，它就會被自己的重量拉斷。好在碳納米管的發明使人們看到了希望。碳納米管非常細小，但強度可與金剛石媲美，而且柔韌性很好，可製成纖維。理論上說，寬1米、像紙一樣薄的納米管纜帶就可以支撐13噸的重量。《三體》中「只有六十厘米寬」的天梯導軌是用別名「飛刃」的納米材料製成的。主持「飛刃」研製的科學家汪淼也因此成為整部小說中最先出場的人物，汪淼的生活和工作均被三體人干擾。這是因為三體人擔心地球人從這種材料入手，造出太空電梯，進而發展出太空防禦系統，影響三體人的殖民地球計劃。

　　大劉進一步描述道：

　　天梯三號的終點站是「車輪形狀的（黃河）空間站……位於電梯終點上方三百公里處，是作為電梯的平衡配重物建造的。」（《三體II》第226頁）

　　太空電梯為何要有平衡配重物呢？這是因為細長物體承受拉力的本領比承受壓力的本領大得多。為避免太空電梯的纜繩被自身重量壓垮，工程師想出了一個主意，從同步軌道衛星上垂下三萬六千公里長的纜繩，直達地面，在纜繩的另一頭還有「平衡錘」。平衡錘以極大的速度繞地球運轉，因為離心作用的緣故，它能給纜繩施加很大的拉力，確保纜繩繃緊。

　　與大多數公共交通一樣，目前航天工程師設計的太空電梯艙也是雙向對開的，並在適當的高度安裝「站台」以方便乘客和貨物上下。這些站台實際是固定在太空電梯上的空間站，它們的重量應該從最初設計時就考慮在內，甚至電梯艙的載重和行駛位置也需要精確計算，以保證纜繩的平穩。如何防範攻擊與破壞？

　　在《三體》故事裡，每次地球遭遇襲擊時，太空電梯都成為逃難者爭搶的交通工具，如果得不到座位，暴民就會攻擊太空電梯：

　　「隨著水滴（三體人發出的探測器）向地球的逼近……所有太空電梯的基點和航天發射基地周圍都有大量的人群在聚集，揚言要關閉所有進入太空的通道。……當發現（太空電梯）運載艙上升或航天器起飛時，這些人會同時拔搶照射，激光的直線彈道使瞄準很精確，大部分的光束都會聚集在目標上並將其摧毀。」（《三體2》第428頁）

　　當「黑暗森林」打擊警報響起時：「在太空電梯的基站也發生了武裝衝突……部分國家試圖派軍隊控制赤道海洋上的國際基站。」（《三體3》329頁）

　　如果當代的恐怖分子能將民用航空器作為攻擊對象，那麼未來的恐怖分子完全可能把太空電梯作為襲擊目標。將太空電梯置於偏遠位置將是降低風險的最佳方法。比如，太空電梯的錨定點可以位於赤道附近的太平洋海域的移動平台上，它與任何空中航線或船舶航路的距離至少為650公里。無論恐怖分子從哪裡發動襲擊，太空電梯的防衛者都會有足夠的預警時間。此外，太空電梯的結構決定了從地面發起的恐怖襲擊都只能威脅到電梯的一小部分，即15公里高度以下的部分。太空電梯耗資巨大、戰略意義重要，擁有該設施的國家都將部署警衛部隊把守這個太空港口。就像當今把守重要橋樑、隧道一樣。

　　與空間站或宇宙飛船一樣，太空電梯也應需具備避開太空垃圾的能力。太空電梯的纜繩將錨定在赤道附近海域的移動平台上。這個移動平台就像放大版的海上石油鑽井平台。移動平台上裝有推進器，可以來回變換位置，從而挪動太空電梯，避開來襲的太空碎片或隕石。

　　

　　太空電梯基座想象圖。圖片來源：www.reddit.com天體之間，以電梯相連

　　據太空電梯研究者布拉德利•愛德華茲估算，太空電梯建造成本不會低於100億美元，維護費用也不是小數目。《三體3》的女主人公程心與男主人公雲天明會面時「乘坐的是人類建成的第一部太空電梯，這個終端站建於危機紀元15年」。也就是說人類第一部太空電梯落成於21世紀二三十年代。當時，為支持太空電梯的建設，各國都實行戰時經濟，生活必需品實行配給。以人類目前的技術發展水平和資源調動能力而言，這個時間估算是可信的。

　　雖然太空電梯的建造與維護耗資巨大，但投入運行后，它與傳統航天器相比在運輸成本有巨大優勢。儘管電梯艙上升速度比火箭慢，但它卻能將每千克貨物的發射成本從現在的22000～44000美元降到900美元左右。最先擁有太空電梯的國家將率先獲取太空資源，享受「電梯紅利」。

　　幾百年以後，當太空電梯這道通往宇宙的橋樑造好之後，地球上的居民大規模向外層空間移民，在地球的外圍會建立數以萬計的大大小小的空間城。屆時，在空間城之間又會建立起宇宙索道，就像把城市連接起來的公路和鐵路一樣。就像大劉描述的那樣——

　　「在地球的夜空中，移動的星星目益增多，那是人類在太空軌道上的大型建築物。……隨著太空電梯的建成，人類開始了對太陽系行星的大規模探索。」（《三體II》第217頁，257頁）

　　有科學家認為，隨著太空電梯的廣泛建設，在遙遠的未來，從火星或金星上看去，地球周圍將布滿蛛絲般的網路，赤道上空耀眼的光環是連成一體的空間站。這個超級環形空間站由多台太空電梯與地球相連，彷彿自行車的輻條。與地球類似，太陽系中其它有人居住的星球——月球、火星、土衛六——也可以在自己的赤道上安裝太空電梯，這將是太空居民點之間往來的橋樑。3、階梯計劃：從引力跳板到核彈跳板

　　所謂階梯計劃，是危機時代人類向來襲的三體艦隊發射探測飛船的嘗試。根據該計劃，預先把大量核彈用傳統的推進方式發射至太空，核彈逐個分佈在飛船的最初的航線上。飛船在經過每一顆核彈的一瞬間，核彈在飛船輻射帆後面爆炸，產生推進力。因為核彈的每一次爆炸都使飛船的速度增加一級，很像在登一道階梯，所以叫做階梯計劃。

　　這個計劃是由《三體III》女主人公程心提出的，當時這個中國女孩正效力於行星防禦理事會戰略情報局（PIA）。

　　很久以後，程心在自傳《時間之外的往事》中這樣評價自己的計劃：「火龍出水和連發弩都是把落後的技術以先進的方式組合起來，試圖產生貌似超越時代的能力。……階梯計劃也難以把人類帶入宇航新時代，它只是用當時的技術所進行的孤注一擲的努力。」

　　我們可以把這段文字看做程心的自謙，但這個巧妙的低技術組合的確產生了奇偉的效果，造就了人類有史以來最高速的飛行器。從這個意義上講，大劉應為這個技術構思感到自豪。引力跳板：借著引力，飛得更快

　　在現實中，的確有航天器不帶燃料卻能加速飛行的方式，這就是「引力跳板」技術。因為航天器是藉助航線上經過的行星加速，所以引力跳板也被形象地稱作「借力飛行」。不知大劉是否參考了引力跳板原理，構造出「核彈跳板」+「輻射帆」的情節，用低技術組合的方式把自願參與探測的雲天明送出了太陽系。

　　只要飛船飛越行星的速度和位置合適，就能利用行星引力跳板加速。但能量不會憑空產生，利用引力跳板加速的航天器，是從哪裡「借」來的動能呢？

　　行星並非真的靜止不動，自轉和公轉使其攜帶了巨大的角動量。在太陽系整體角動量中，太陽自身的角動量只佔2%，其它98%的角動量掌握在圍繞太陽的星體手中。當飛船切入行星軌道后，它也分得了行星的一部分角動量。轉移的角動量體現在飛船飛出行星引力場時的速度變化中。以太陽為參照物，此時飛船飛出行星的速度不僅改變了方向，也增加了大小。根據能量守恆定律，航天器增加的動能也就是行星減少的動能。只不過行星的動能太過龐大，小小的航天器分得的動能與之相比不過九牛一毛而已，並不會影響行星的運轉。這就好比我們使用風力發電機從空氣流動中獲取能量，卻不必擔心風會因此停止一樣。

　　引力跳板可以節省探測器所帶的燃料，大大縮短行星際航行時間。如果航天器選擇最經濟的雙切橢圓軌道飛行，飛向土星需要6年，飛向天王星需要l6年，飛抵海王星需要31年。而假如使用木星做引力跳板，飛抵土星只需3～4年，飛到天王星只需8～9年，飛抵海王星也只需12年。

　　

「旅行者1」號和「旅行者2」號探測器就曾利用1982年「九星聯珠」的機會，先後把木星、土星、天王星當作「跳板」，一次又一次地從木星跳到土星，又從土星跳到天王星，繼而跳到海王星。成為探測行星最多的探測器。1990年發射的「尤利西斯」號太陽探測器，在飛近木星之後藉助木星引力，偏轉90度而跳入太陽極區，對從未近距接觸過的太陽兩極進行了探測。1997年發射的「卡西尼」號土星探測器質量太大，運載火箭無法將其直接發往土星，遂採用引力跳板。它兩次掠過金星，而後又掠過地球和木星，最後才飛往土星。地球距土星只有12.5億公里，「卡西尼」號的行程卻達32億公里。2006年發射的「新視野」號探測器也藉助木星飛向冥王星，若不繞過木星加速、直飛冥王星的話反而會多用四年時間。

　　

　　電影《星際穿越》最後，男主人公利用黑洞引力的彈弓效應前往遙遠的星球。圖為《星際穿越》配套遊戲里，飛船利用引力跳板加速的一幕。圖片來源：appdp.com核彈跳板，優勢何在？

　　有讀者會問：階梯計劃里把核彈逐個發射到預定位置並進行位置保持也需消耗火箭燃料，幹嘛費這個勁？為何不把這些燃料攢到一起，把所有核彈和載有雲天明的飛船一併發射出去？這樣飛船可以把自身攜帶的核彈一個個丟到後面，逐個爆炸，推動飛船前進。如此利用燃料的效率不是更高嗎？

　　其實不然。如果把所有N枚核彈都裝在飛船上，變成一個整體發射，那麼首枚爆炸的核彈需推進其餘（N-1）枚核彈及飛船的質量，第二枚核彈需推進（N-2）枚核彈及飛船的質量……飛船攜帶的尚未爆炸的核彈成了阻礙飛船加速的「死重」，這當然不如每枚核彈只負責推進飛船效率高。在對重量錙銖必較的航天工程師看來，寧可費些事把全部核彈部署到推進航段上，也不能圖省事影響飛船的最終速度，使其不能儘早與三體艦隊接觸。4、輕舟一葉翔天宇：從核爆動力到光壓驅動

　　在《三體3》的「階梯計劃」中，人類舉全球之力，發射了一艘輻射帆飛船，它先後承受了上千次核爆的力量，將雲天明推往三體艦隊的方向。輻射帆這個概念絕非空穴來風，其身世最早可追溯至科學革命時期。

　　四百年前，開普勒就曾經提出利用帆船來探索星空的設想。他猜測彗星尾部會受到某種微弱「太陽風」的吹拂，於是設想可以利用這種風來推進帶帆的飛行器，就像海風推動帆船一樣。儘管開普勒關於太陽風的解釋後來被證實是錯誤的，但後世的科學家們卻由此受到啟發，發現太陽光確實可以施加足夠的作用力來移動物體。

　　太陽光的力量十分微弱，在地球軌道上，每平方公里表面接受的太陽光壓才有4.55牛頓，也就是一個蘋果的重量而已。雖然力量微弱，但太陽帆提供的推力貴在持久。只要有陽光照耀，它就可以一直工作，在太陽光的壓力下緩慢加速，並通過調整帆面相對太陽的角度來控制速度及方向。日復一日，年復一年，太陽帆總有一天會達到驚人的高速度。

　　這一天也並不遙遠，假如有一艘帆面7萬平方米的太陽帆飛船，飛船質量是500千克，那麼它離開地球軌道時每秒的速度增加值是1毫米/秒。但日積月累，等到抵達火星軌道時，時間才過去284天。算下來這個速度比許多化學火箭還要快。太陽帆飛船，可能實現嗎？

　　太陽帆飛船已不再是停留在藍圖上的構想，不少國家都在進行太陽帆飛船試驗。在《三體》故事中，程心提出階梯計劃構想后，行星防禦理事會戰略情報局（PIA）的專家展開了熱烈的討論。一位曾主持「那次」失敗的太陽帆試驗的俄羅斯專家指出：

　　「輻射帆可以做得很薄很輕，按現有的材料技術，五十平方公里的面積可控制在五十公斤左右，這麼大應該夠了。」（《三體3》144頁）

　　「那次」失敗的試驗應該是指第一艘太陽帆飛船「宇宙1號」試驗。「宇宙1號」由美國行星學會、俄羅斯科學院和莫斯科拉沃奇金太空工業設計所花費數年聯合建造而成，重50公斤，由8片長度為15米的三角形聚酯薄膜帆板組成花瓣形，帆板總面積600平方米。每張帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋還薄，但它們異常牢固，並且表面上塗滿了高效反光物質。帆板與支撐桿的結構就像直升機旋翼一樣，可以通過調整來改變飛船的飛行方向和速度。

　　據計算，在陽光微弱的壓力推動下，「宇宙1號」太陽帆將會以每秒1毫米的速度慢慢地加速移動。在帆面展開24小時后，太陽帆的速度將增至每小時100英里；到第100天時，它的速度將達到每小時1萬英里。如果「宇宙1號」能持續飛行3年，速度會提升到每小時10萬英里，這是任何人造飛行器都沒有達到過的速度，相當於目前飛得最遠的「旅行者號」探測器飛行速度的3倍。如果用「宇宙1號」來探測冥王星的話，可以在不到5年的時間裡完成從地球到冥王星的旅程，而美國宇航局使用常規推進技術探測冥王星的「地平線計劃」預期需要的時間卻是十多年。

　　2005年6月21日，「宇宙1號」於從位於巴倫支海水下的俄羅斯核潛艇上通過「波浪」運載火箭發射升空。不幸的是，火箭在發射升空后83秒就與地面失去了聯繫。

　　到目前為止，最成功的太陽帆試驗是日本2010年發射的「伊卡洛斯」號試驗太陽帆。2011年1月，完全依靠太陽能驅動的「伊卡洛斯」已成功完成全部實驗項目，包括利用陽光實現加速和改變軌道等。「伊卡洛斯」有一面對角線長度20米的方形帆，由聚醯亞胺樹脂材料製成，厚度僅0.0075毫米。它在飛行中將不斷旋轉，依靠離心力使帆保持張力。

　　除了在太陽系內飛行，太陽帆還可以作為恆星際探測器。因為成本低、飛行速度快，它是在低技術條件下飛出太陽系、飛向恆星空間的首選航天器。1984年羅伯特-弗沃德做出的工程分析表明，進行長期太空飛行的最佳方法是向一個大型薄帆發射大功率激光。當激光帆採用整體式圓盤布局並搭載1噸的有效載荷時，最大速度能達到光速的十分之一，飛抵半人馬座α星（這正是《三體》中地球人的死敵——三體人的故鄉）僅需40年或更少的時間。此時的光帆直徑為3.6公里，帆面材料為純鋁鏡面。

　　雖然光帆面積龐大，帆面支撐等技術要求較高，但較其他形式的恆星際飛船而言，光帆仍是技術和經濟上最容易實現的方案。據估算，如使用金屬鈹作為帆面材料時，上述飛行的耗電費用為66.3億美元。這隻相當於阿波羅計劃投資的1/4而已。因為地球大氣會使激光衰減，理想的發射站應當位於月球等天體。如果未來能夠開採月球上的He-3資源並實現受控核聚變，發自月球的激光就可以射向宇宙深處的一葉孤帆。屆時，人類就真正地向深空跨出了一大步。科幻中的帆飛船

　　

　　阿瑟•克拉克的科幻小說《太陽帆船》中設想的太陽帆船。圖片來源：frponline.com.cn

　　1921年，俄國航天先驅齊奧爾科夫斯基(Konstantin E.Tsiolkovsky)提出了太陽帆的概念。1963年，阿瑟•克拉克出版了科幻小說《太陽帆船》，在小說中，主人公駕駛太陽帆飛船參加了從地球到月球的飛行競賽，其景象頗似當今流行的帆船比賽。克拉克的這個故事令太陽帆的概念深入人心。

　　進入21世紀，好萊塢科幻片《星球大戰前傳：克隆人的進攻》中，杜庫伯爵乘坐一艘張著大帆的星際飛船離開吉奧諾西斯星球，從克隆戰爭的風暴中逃脫。他乘著這艘飛船來到柯洛桑星球廢棄的郊外，會見了他的黑暗導師。這艘種子形的飛船外殼打開后可釋放出精緻的太陽帆。星際間的高能粒子風給太陽帆施加了強大的推進力，使太陽帆船能高速航行。影片導演喬治·盧卡斯將它命名為吉奧諾西斯太陽帆船，這種外形奇特的交通工具與片中杜庫伯爵謎一般的性格正相符。

　　回到《三體》的世界，雲天明乘坐的輻射帆是太陽帆/光帆的自然延續。可見光是電磁輻射的一種，輻射帆則特指使用其它種類輻射驅動的帆式飛船，包含這各種粒子和射線的核輻射自然可以驅動輻射帆。只是這種帆飛船目前還處於概念研究階段。

　　小說里，為避免核爆輻射影響雲天明的座艙，連接帆和座艙的帆索長達五百公里（《三體3》58頁）。仔細分析我們會發現，如此長的帆索，彈性形變不可忽略。在脈衝式的核爆衝擊作用下，帆體和座艙會在帆索張力的作用下圍繞系統質心來回振動，飛行方向難以保持不說，甚至可能令飛船徹底損壞。大劉考慮到了這一點，他這樣安排該飛船的命運：

　　「在木星軌道附近，階梯飛行器的一根帆索斷裂，飛行器偏離了預定航線……迷失於茫茫太空中。」（編輯：Jerrusalem）

　　在《三體》航天考（中）與（下）里，我們還討論了有關核聚變驅動和曲率驅動的航天技術。請移步：《三體航天考：推進系統》和《三體航天考：曲率驅動》

　　擴展閱讀：

　　本文節選自果殼閱讀出品《太空將來時》（趙洋著）