專訪航空航天科學家：《流浪地球2》太空電梯等場景能實現嗎？
在電影《流浪地球2》中，有許多帶來極大視覺衝擊的科幻場景：比如使用纜索連接地球與空間站、實現“天地穿梭”的太空電梯，擁有超強戰鬥力的無人機軍隊，還有能夠推動地球的巨型機械——行星發動機……
這些“科幻狂想”，讓眾多觀眾在電影院享受感官盛宴的同時，也忍不住展開熱議：《流浪地球》中的這些航空航天技術，真的有一天能夠實現嗎？
就此話題，紅星新聞記者採訪了航空航天部門的青年科幻作家、科學家陳梓鈞。
擅長創作航空航天題材科幻小説的陳梓鈞，專業學術背景十分“硬核”：2011年考入清華大學航天航空學院錢學森力學班，2020年從清華大學航天航空學院工程力學系空氣動力學專業畢業，獲得空氣動力學博士學位，現居成都，為航天航空科研從業者。
在陳梓鈞的作品中，航空航天科技是最常見的元素，比如非虛構航天科普長文《超自動化時代的太空探索》，便展望了化學動力火箭之後航天的未來：自我複製機、動量轉換器、太空鐵道、光帆飛船、核動力火箭等等各種未來航天黑科技。
他的科幻小説創作，讓國家天文台研究員鄧李才博士評價為“來自真正的科學”，“那些禁錮在公式和數據裏的美，被他釋放出來，形成了一個又一個驚豔的科幻創意。”
陳梓鈞的航空航天題材科幻小説集《閃耀》
在看過《流浪地球2》後，陳梓鈞告訴紅星新聞記者，他最大的驚歎同樣來自於影片中的“太空電梯”：“我看了它的設計草圖（由MORE VFX、黃天禹、王志堅、王元卓等人設計），三維建模的細節豐富而真實，令人震驚，堪比真正的航空航天工程概念設計階段的方案，而且科學和工程上都顯得很合理。”
陳梓鈞説，還有“領航員太空站”“月球基地”“月壤3D打印”“太空自組織自適應機器人”等等，這一切技術其實都有現實原型，如果不是中國航空航天工業創造出了這些原型，我們看電影的時候一定會覺得出戲。所以作為航空航天部門的工作人員，也覺得“與有榮焉”。
太空電梯：理論上有可能，工程實現難度大
紅星新聞：從專業角度來講，《流浪地球2》中的“太空電梯”，真的有可能實現嗎？
陳梓鈞：理論上是有可能的，但工程實現難度極大。
最大的困難是電梯纜繩的材料強度要求太高了，只有碳納米管具有滿足這種強度要求的潛力，而這種物質現在只有實驗室中能少量製造。
此外，還有很多工程上的難題：
譬如，當月球週期性掠過太空電梯上方時，不均勻的潮汐力會讓電梯纜繩像一條海草那樣舞蹈起來，如何避免這種跨度9萬公里的海草舞？
電梯纜繩是一條長導體，切割地磁場，會產生電流，受到安培力，將電梯纜繩向側面掰彎。而且在太陽風暴和地磁暴發生時，還會感應出足以燒燬設備的電湧，如何削弱這種電磁效應？
此外，太空中是沒有空氣的，沒有對流散熱。長達9萬公里的電梯纜繩也不太能通過熱傳導將熱量排向地面。三大散熱途徑中的兩個都不能用，只能靠輻射散熱。電梯纜繩該如何散去太陽光輻射、電梯轎廂摩擦產生的熱量，避免過熱燒熔？負責熱管理設計的工程師們頭都要禿了。
又譬如，電梯穿越地球範艾倫輻射帶時，會受到格外高的輻射影響。目前，除了阿波羅登月外，各國的載人飛船都沒有飛出這個輻射帶。如何保證電梯上的設備安全和人員健康？這就輪到醫生和保險推銷員抓狂了。
還有，如果纜繩斷裂，如何投入冗餘？如何做故障重構？如何對飽經磨損的纜繩做日常保養和檢修？如何處理諸如颱風侵襲、電梯卡住、轎廂墜落或被太空垃圾撞傷這類的意外事件？如何設計緊急逃生方案……
這些技術問題都還亟待解決，所以説，從理論到工程是有巨大跨度的。
《流浪地球2》中的太空電梯
紅星新聞：《流浪地球2》的電影情節裏，是否考慮到了“太空電梯”的實現可能？
陳梓鈞：在觀看《流浪地球2》時，我驚喜地發現，劇組確實考慮了一部分工程實現問題：譬如，電梯基站的海底部分有着巨大的“阻尼器”，可以抑制電梯纜繩的晃動。這種裝置在現在的超高層建築中基本上是標配。
另外，阿瑟克拉克在《天堂的噴泉》中也考慮過一部分工程細節問題。但綜合來看，太空電梯的工程難度仍然極為驚人，堪比讓古埃及人去修建三峽大壩。但也有一些“簡化”版本的替代方案，譬如“動量轉換器”，又稱“太空轉輪”。
《流浪地球2》中的太空電梯
紅星新聞：如果能有這樣一個“太空電梯”，可以實現人們移民別的星球嗎？
陳梓鈞：當然可以。把貨物運上去是需要耗費一些電能的，但我們也可以用另一邊下行、墜向地球的貨物“發電”，實現動能和勢能的收支平衡。我們日常生活中常見的電梯也是類似的原理。在透明的觀光電梯裏，當電梯上升的時候，我們可以看到旁邊有一疊水泥塊在同步下降，那個就是配重。
真正的問題在於，為什麼太空電梯可以實現“行星際移民”？
太陽系中其他星球的環境遠遠比地球要惡劣。移民去那裏，還不如移民到南極，至少南極還有企鵝為伴，還有氧氣可以呼吸。至於太空礦產，也沒有稀罕到必須要派人去跑馬圈地的地步。所以，歸根到底，在把其它星球的環境改造到南極的水平之前，星際移民只有政治和科學上的象徵意義，在經濟上完全不可行。
但太空電梯可以極大緩解這一問題。它的真正意義，是人類首次實現了在太陽系各大行星間大批量（日吞吐量上億噸的級別）地轉運物質——把木衞二的水運到金星，在火星軌道上建造反射鏡，等等。這類行為將極大改變其他星球的環境，“行星地球化改造”也會因此成為可能。
可能正是因為這種理由，《三體》中的汪淼才被三體人列為目標之一吧。
《流浪地球2》裏的黑科技，不僅僅是幻想
紅星新聞：《流浪地球1》《流浪地球2》中都提到了行星發動機的燃料火石，特別是在《流浪地球1》中，許多人為了運送火石而失去了寶貴的生命。我記得你之前在科普文章中也寫到了飛行器的發射燃料，能否介紹一下航天發射需要多大的能量？
陳梓鈞：一般意義上的航天發射，需要把地球表面的物質送到卡門線（高度100公里）之上，並令其達到第一宇宙速度（每秒7.9千米）。這個勢能和動能並不大，也不需要“火石”所象徵的重聚變核燃料。燃速比較高的常規化學燃料就可以實現，比如煤油和液氧（中國長征7號火箭的主要燃料）。
當然，如果未來出現了更高效的燃料，比如核裂變、核聚變火箭，甚至是核同質異能素火箭，那航天的門檻就會變得更低，去太空旅行也會變得更方便。
紅星新聞：電影裏講到了一些關於影響地球自轉的技術，比如地球自轉剎車。這個技術在未來有可能實現嗎？
陳梓鈞：在可見的未來都不可能。另外，把地球自轉消除，除了永久性消滅了颱風外，似乎看不到什麼明顯的收益，但肯定會帶來大量毀滅性的災難。
紅星新聞：電影裏的無人機也讓人印象深刻，現在的無人機技術是什麼水平？未來可以達到電影裏的水平嗎？
陳梓鈞：無人機類型繁多，功能不同，如何定義“水平”的標準也五花八門，這個展開講的話就太多了。只能説，在很近的未來，我們應該就可以看到電影中的那種無人機與有人機的激烈對抗。
我在去年創作的小説《對抗樣本》中就嘗試探討了這一圖景：智能化無人機、元宇宙是如何影響一場近未來的戰爭的，這篇小説發表在《銀河邊緣》第12期。
在科幻領域，還有更多的“狂想”有望實現
紅星新聞：你的科幻小説，時常將航空航天專業的學科知識融入其中。比如去年出版的科幻小説集《閃耀》裏，一位天才航天工程師需要設計一個100天飛行八億公里的航天方案，最後採用了用光作為動力驅動飛船飛向木星。這個飛行創意，聽起來非常“科幻”，但卻是你參與設計的切實可行的航天技術方案，還獲得過首屆“航天科工杯”飛行器設計大賽第一名。
陳梓鈞：是的。這個方案是我在第一屆“航天科工杯”參賽時提出的方案，主要是針對化學火箭進行採樣返回任務的劣勢（需要20多枚土星五號級別的超級火箭），通過光帆編隊的方式，將所需運載火箭的重量大大降低，數量也減少到5枚以下。
該方案並非完全原創，而是從1984年休斯飛機公司的Robert L. Forward的光帆方案改良而來。 Forward先生也是一位科幻作家，他的原版方案是：用地面上的激光陣列推進一面圓形的、超薄的“鏡子”，光照在“鏡子”上反射回來，會對鏡子產生微小的推力，積少成多之後，就能驅動它達到很高的速度。
當然，到達目的地的時候必須減速。而目的地沒有激光陣列，這該怎麼辦呢？
Forward提出在光帆上放置一種反射外圈，套在圓形的主帆之外，稱為“次級帆”。在即將到達目的地的時候，它脱離主帆，將太陽光反射、聚焦到主帆之上，為它提供減速的光壓動力。
但這個方案有個問題：理論上可行，工程實現極其困難。和“太空電梯”的困難類似。根據粗略計算，Forward的方案需要建造直徑4km的“次級帆”，才能實現減速泊入環木星軌道的目標。這麼大的帆，按現有技術，根本沒法展開和維持姿態穩定。所以，我想到這樣一個點子——就像是撕面巾紙一樣，把一面大帆“撕”成數百面小帆，組成編隊，每個小帆直徑不超過100米，這樣既解決了工程實現問題，又能產生和Forward方案同樣的效果，甚至更靈活。
當然，那只是個概念方案，只具備概念上的可行性。裏面很多數據推敲起來都有問題。但它確實是個比較新穎的概念，希望能像Robert L. Forward啓發我一樣，啓發更多的未來者提出更有效的新方案。
紅星新聞：還有哪些航天技術聽起來是幻想，但確實是有可能發生的？
陳梓鈞：科幻迷大都很熟悉“曲率驅動”，又稱為“阿庫別瑞引擎”，是人類目前唯一在理論上有希望實現的恆星際航行技術。當然，也是僅僅在理論上有可能。
另外，脈衝推進核火箭（階梯計劃）、核同質異能素引擎、反物質引擎、自我複製機等等，都是有可能實現的航天技術，但離我們都還比較遙遠。
紅星新聞記者 毛渝川 段雪瑩 編輯 毛渝川