電影《流浪地球2》片長達到了三個小時,其容量之巨不是白給的,光是第一個用來鋪墊氣氛的災難,換做別處怕是就能撐起全篇了。這個打頭災難裏,倒黴的是在各種科幻作品裏都很容易倒黴的“太空天梯”。

所謂太空天梯,有時也樸實地稱爲太空電梯,是一種假想的進入太空的方式。普通的樓和梯子抗壓強度不夠,堆不了幾千米高就會塌,無法像童話裏的豌豆藤那樣直接升上太空。但是,很多材料的抗拉能力遠勝過抗壓。假如人類在同步軌道上用非常抗拉的材料修一座梯子,懸垂到地面上,可以讓這梯子與地面相對靜止,於是就可以沿着這梯子爬上太空。

在《流浪地球2》裏,人類在加蓬首都利伯維爾附近修建了一座天梯——這很符合物理規則。利伯維爾幾乎在赤道上,而標準天梯需要修在赤道上。這是因爲空間站處於赤道上方的地球靜止軌道上,在赤道上建造天梯,可以保證上下位置同步,並且可依靠地球赤道的離心運動產生的加速度,與地球重力保持天梯的受力平衡。而如果選擇在其他緯度建立天梯,那麼還需要有額外的手段來保證天梯不會因爲受力不均而被撕裂。片中一羣候補航天員乘坐太空天梯前往空間站接受訓練,被高達9 g(g爲重力加速度,9 g可以簡單理解爲有8個和你一樣重的人壓在你身上)的加速度折磨得要死要活之時,天梯卻遭遇了恐怖分子的襲擊,更有三個恐怖分子潛伏在了轎廂裏。於是,兩位主角就只能一邊和轎廂裏的恐怖分子拳腳相加打得死去活來,一邊看着窗外無人機和戰鬥機上演狗鬥煙花秀。

話說,明明轎廂裏坐了好幾十個航天員,他們都不是貪生怕死之輩,身體素質也足夠好,爲何打三個沒有武器的恐怖分子如此費勁呢?原來爲了在高g條件下保護航天員,每個人都被過山車一樣的安全裝置鎖得死死的,大部分人根本出不來,只能在座位上乾瞪眼,只有少數人機緣巧合得以解開安全裝置,可以和恐怖分子打上一打。

不過,如果把這段旅途交給合格的航天工程師,大概就不會這麼費勁了。因爲太空天梯其實根本就不需要這樣的高g條件,也不需要這麼繁瑣嚴密的安全裝置——硬要搞成電影裏這樣,反而完全失去了天梯的意義。

天梯的意義是啥呢?

想象一下如果你要上五層樓。假如有樓梯,那很簡單:一步邁一個臺階,下一步邁另一個。每一步都只需要很少的能量,短暫地用支持力克服重力,把人體推上個幾十釐米。就算身體非常虛弱的人也沒關係,只要力氣足夠邁上一步臺階,就能最終爬上五樓——大不了多花點時間嘛。

但是如果沒有樓梯,那可就難了。人腳一旦離地,就無法再繼續提供向上的力,所以必須在蹬地的零點幾秒裏,一口氣把足以登頂的能量全部釋放出來,考慮到上升的過程中還需要克服空氣阻力,所以,所需能量還要更多。超人可以一跳跳到五樓,普通人可拿不出那麼大的功率。雖然都是從一樓到五樓,需要克服的重力勢能總量相同,但一個非常容易,一個難如登天。

天梯的原理和樓梯當然不太一樣,但實際效果是幾乎相同的。如果沒有天梯,人類上天就需要火箭,而火箭的升空,需要通過不斷釋放氣體產生推力,讓火箭依靠推力的反作用力昇天,這搞不好就炸了。相反,有了天梯,就可以把這巨大能量拆分成許多小份,對動力要求低,浪費的程度也小。理論上說,如果真的有一架連通太空的樓梯,你一個臺階一個臺階走上去,也是可以的。人類長程爬樓梯的世界記錄是12小時爬13145.65米高的樓梯。如果一個人能每天這麼爬12小時休息12小時,進入太空(海拔100千米處是大氣層與太空的交界處)也只需要一星期多點。(當然這要求樓梯間裏有空氣,每隔一段還得食物和水的儲備)

此外值得專門提及的是,火箭之所以不好搞,一個重要原因是火箭必須攜帶自己的燃料,而爲了能帶這些燃料上路又需要更多的燃料,如此反覆雖不至於無窮(很多燃料路上燒掉了不用帶全程),但也意味着送一噸物體上天往往需要10噸或更多的燃料。天梯沒有這個問題——在地上造發電機然後全程給轎廂的電機通電就行了。

所以說,真正的太空天梯可以像高鐵一樣慢悠悠上天的,這纔是它的最大優點。我們不知道片中宇航員的目標空間站距離地面多遠,不過看起來好像不算很遠——爆炸發生後沒多久就掉下來了。假如這空間站的高度和現實中國際空間站差不多,也即在400千米左右的高度,那麼沿用高鐵的速度,只需一小時出頭就可抵達,完全可以接受。用9 g那麼大的加速度,純屬折騰人了——實際上,現實中的載人火箭發射時加速度也不過3-4 g而已。

更何況,哪怕目的就是要折騰這幫沒有醫保的候補宇航員,那好歹也該用個給高g設計的轎廂啊——電影裏的轎廂,似乎也有點問題。

第一個問題就是外形。作爲一個需要承受9 g加速的物體,轎廂的上下面居然是平的。這裏就有問題了。

火箭要長成火箭的樣子,很大程度上就是爲了減少空氣阻力,提高能量效率。空氣阻力和速度的平方成正比,所以只在高速的時候需要考慮。正常火箭必須抵達每秒幾千米到每秒十幾千米的超高速,需要承受巨大的空氣阻力,做一個扁盒子火箭肯定是划不來的。

太空天梯的轎廂本來沒有速度要求,慢悠悠上去也行,那種情況下,做個扁盒子沒毛病。但是,既要盒子又要高速就不行了。片中只展示了下行時轎廂底部撞擊大氣層產生的火光,上行卻安然無恙,這非常奇怪,畢竟視覺上看上行和下行的速度沒有明顯區別,應該同樣有巨大阻力、同樣冒火纔對。

當然視覺判斷是不準確的,也可能實際上轎廂速度很低——但這樣就更奇怪了,高g的用途就在於儘快抵達高速,9 g的加速度下百千米加速只需0.3秒。用高g卻不要高速,憑空喫了一堆壞處卻毫無好處。這顯然是沒道理的。

第二個問題更加嚴重,值得展開闡述:那就是宇航員的座椅朝向不對。

現在,大家都知道宇航員上天要經歷加速度訓練了,訓練可以讓人不那麼容易暈眩嘔吐或昏迷,但再怎麼練也還有物理和生理極限攔在前面。人的身體是在1 g的環境中演化出來的,人體所有零部件的機械強度都只適應這個環境,而其中最脆弱的環節恐怕莫過於血液。哪怕在1 g的環境下血壓控制的失敗每年都奪走很多人的生命,高g環境下就更難了。

當面臨向上的加速度時,血會變得非常“重”,往站姿和坐姿的人腳底方向流動,這就會導致腦缺血。一般來說普通人承受向上的5個g不能超過一兩分鐘,然後就會昏迷。當代戰鬥機飛行員可以短時間最大承受9 g左右,但那除了長期訓練還需要特殊的增壓服的幫助,在腿部和腹部用許多氣囊加壓把血液頂回去,有時還需要胸部調壓來輔助呼吸。以片中人打鬥時的流暢姿勢來看,不像是有增壓服的樣子(當然也可能是20年後的增壓服變得超高級了)。

這還不是最糟的,更加可怕的是天梯下降時,即將接觸地面做減速運動產生的負加速度,這會讓血液會反過來湧向大腦。這樣倒不至於腦血管當場爆裂而死——人體對腦血壓的增加極爲警惕,頸動脈竇一察覺血壓異常就會趕緊叫停,可是加速度不聽它指揮,它能做的只有不斷降低心跳速度和動脈壓。結果異常的血液無法維持動靜脈之間的含量氧差異,會先因爲缺氧而昏迷。總之,人對天梯下降時的負加速度忍耐力還要更低。

飛行員需要空中機動那是沒有辦法,但宇航員上天的旅程非常單純,硬要他們死抗9 g加速不但毫無必要,而且萬一出了什麼故障連安全餘量都沒有,絕對不會得到工程師的同意。再說,要解決這個問題,辦法其實簡單到離譜:只要讓人躺着上天就行了。

躺/趴姿的情況下,人的大腦和心臟基本處於同一高度,血液變重帶來的影響就大幅縮水。這不是說沒有問題,人的呼吸系統還是會遭受不小壓力,血氧濃度降低,視力也會明顯下降,四肢也無法自由活動,但熬過一兩分鐘的十幾個g還是沒啥問題的。如果有條件二選一的話,那“躺着加速、趴着減速”更好,這種姿態下對視網膜血管壓力最小。

當然,一羣人在轎廂裏躺着,不但顯得很傻,也非常佔地方,普通的低g天梯轎廂選擇過山車一樣的座位設計是可以理解的。不過,普通轎廂就別硬逼着人上9 g了吧。這麼違規超負荷運行就算沒有人蓄意破壞,自己也會解體的。

責任編輯:劉萬里 SF014

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