在地球同步軌道上建造一個圍繞赤道的行星環可行嗎?

2020-12-03 老粥科普

這是一個大膽的想法！

我用了幾乎一整天的時間來思考建造這個環是否可行，最後的結論是不怎麼樂觀。下面我來談談我的想法。本文比較長，你可能需要5分鐘的時間讀完，或者直接看段落標題、黑體字和文末結論就好。

一個想像中的太空環

地球同步軌道

這是一個很棒的軌道，因為處在這個軌道上的人造衛星可以用極少能量就能很長時間保持自己與地面的相對位置，從而完成人類設定的使命。因此這個軌道又被稱為地球靜止軌道。

目前在地球同步軌道上有許多顆人造衛星，這些衛星通常承擔氣象、遙感、通信、中繼通信以及電視轉播服務。當然也有一些國家將大型偵查或間諜衛星放在這個軌道上，以24小時監視某一地區的飛彈發射，為本國提供戰略預警；或者監聽某些國家的通訊信號。儘管地球同步軌道很長很開闊，但架不住衛星多啊，加上許多衛星還不是完全靜止的，它們會前後左右上上下下地晃動（這個我們後面要重點談），所以需要很大一片空間才能保證不撞上。目前國際空間機構只允許在地球同步軌道部署最多180顆衛星，如此一來地球同步軌道就顯得比較擁擠，你要是沒有見縫插針的功夫搶C位，就只能眼巴巴看著人家先到先得了。

地球同步軌道距離赤道地面的高度為35786km，地球赤道的平均半徑為6378.2km，因此地球同步軌道與地心的距離為42164.2km。

按圓的周長公式：C=2πr，我們可以很容易算出地球同步軌道的周長為：264926.1km。

我們知道地球自轉一周的時間是23時56分4秒，在周步軌道上運行的衛星要想保持與地面的相對靜止，它也需要以相同的時間跑完26.5萬公裡的一圈，

計算的結果是衛星在軌道的飛行速度：v=3.075km∕s

這個速度相當於炮彈出膛速度的兩倍。

力學分析

假設在同步軌道上有一個10噸重的空間站，人在空間站裡會有什麼感覺？他會像是在地面一樣嗎？

我們知道物體在做離心運動時其慣性力的公式為：F'=mv/r

將m=10000kg，v=3075m∕s，r=42164200m代入公式，得出F'=2242.57N

根據萬有引力公式：F=GMm/r

將G=6.67×10 N·m/kg，M=5.98×10kg，m=10000kg，r=42164200m代入公式，

得出F=2243.57N

考慮到數據及計算誤差，我們可以認為F'=F。同時空間站在同步軌道上做穩定的離心運動，因此我們可以認為空間站處於力平衡狀態，如果你此時處在空間站裡，理想狀態下你應該也處於零重力（失重）狀態。

國際空間站零重力環境

發射地球同步軌道衛星難度很高

人造地球衛星軌道分許多種，有近地軌道衛星、橢圓軌道衛星、高軌衛星、傾斜軌道衛星、極地軌道衛星、赤道軌道衛星等等，地球同步軌道衛星屬於高軌道的赤道軌道衛星。

目前各個國家發射最多的是近地橢圓軌道衛星，這種軌道的發射難度比較低，軌道高度大約300-2000km，衛星覆蓋範圍也比較廣，是性價比最高的選擇。

鑑於地球同步軌道獨特的優勢，航天大國紛紛將目光瞄準這裡，向這裡發射了許多衛星。由於靜止軌道高度高、發射傾角與地球赤道面存在夾角、衛星軌道偏心率要為0、定位要準確，所以需要有更強大的火箭和更精確的測控技術，這不是誰都能搞得定的。

目前航天強國大部分的衛星發射場都設在北半球，距赤道還有些距離，從這裡發射的衛星通常是傾斜軌道，所以發射同步軌道衛星通常會三步走：

一、發射到300公裡左右的近地軌道靠泊，調整軌道面角度，使之與地球赤道面重合；

二、逐漸加速，將衛星一步步送到36000公裡高度，其橢圓轉移軌道的遠地點與靜止軌道相切；

三、衛星主發動機在遠地點點火，加速到3.075km∕s，同時衛星上調姿發動機點火，調整衛星角度與姿態，將其穩定在預定的位置。

耗資極其巨大的太空工程

目前在地球同步軌道運行的最大衛星是「Telstar 19 Vantage」通信衛星，它重7060公斤，由SpaceX獵鷹9號Block 5火箭在2018年7月22日發射。目前世界上能將這麼重的衛星送到地球同步軌道的火箭並不多，同時它的發射費用也非常昂貴。

我們的「天宮二號」飛船組合體全長10.4米，最大直徑3.35米，重8.6噸。假設我們將許許多多「天宮二號」這樣的空間站推送到地球同步軌道進行組裝，拼接成一個巨大的環，需要發射多少個「天宮二號」呢？

264926100 ÷ 10.4=25473663

也就是說，我們需要發射2547萬多艘「天宮二號」才能拼成這個環，它的總質量將超過2.19億噸！

現在，你還覺得在地球同步軌道造一個「環」是件容易實現的事嗎？

其它重要的問題

一、攝動力

地球並不單獨存在，地球圍繞太陽運轉，地球旁邊有月球，地球與太陽之間有近日點與遠日點，月球與地球之間也有近地點與遠地點，所以這個設想中的「行星環」與地球之間力的關係並不是二體問題，而是涉及三體、四體甚至更複雜的力的關係。

因此「行星環」並不會非常平順地在地球同步軌道上運轉，太陽與月球都會對它產生攝動力。在攝動力的作用下，「行星環」的坐標、速度以及其它軌道要素都會產生變化。

二、月球潮汐力

太陽對地球也有潮汐力，月球儘管小，但它距離地球更近，所以月球對地球的潮汐力也更大。

月球近地點距離為364397km，遠地點距離為406731km。月球與地球相互的萬有引力不僅引發地球海面與大氣的潮起潮落，甚至會令彼此發生微小的變形。

假設在地球同步軌道上有一個10噸重的空間站，我們已知地球對它的萬有引力為2243.57N，當月球接近時，它對空間站的引力是多少？

我們將月球軌道參數代入萬有引力公式 F=GMm/r，可以得出：

月球在遠地點時對空間站的引力為 0.369N；

月球在遠地點時對空間站的引力為 0.472N。

這個引力差對於在軌運行的單顆衛星來說看起來微不足道，但對一個由2547萬個10噸空間站組成的行星環，其引力差將超過100萬牛頓力，如此巨大的潮汐力對任何一個「環」都是毀滅性的。

三、月球公轉軌道傾角

我們知道，月球繞地球公轉並不是在地球的赤道面上，它的公轉軌道面（白道面）與地球赤道面的夾角在18.3°-28.6°之間不斷變化，因此月球公轉對處於地球赤道面運行的「環」有斜向的引力，這個斜向的引力會扭曲「行星環」，對環也將產生破壞性影響。

總結：

在地球周圍打造一個巨大的人造環，是許多科幻迷們的夢想，但現實告訴我們做事情既要尊重經濟規律也需要遵循科學原則。從經濟上計算，它耗資巨大並且沒有急迫的需求；從科學角度看，這個環在強大的月球引力面前不堪一擊，很快就會土崩瓦解。

因此，想一想就好了。

相關焦點

  • 如果地球也有行星環,我們的世界會是什麼樣子?
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    例如，地球資源衛星（Landsat）、WorldView和Sentinel-2衛星位於極地軌道（或近極地軌道）。但是在兩極軌道運行有什麼好處呢？為什麼有些衛星有極地軌道？幾乎所有在極地軌道上的衛星都處於較低的高度。此外，它們通常用於監測農作物、森林甚至全球安全等應用。極地軌道以南北方向繞極運行，整個旋轉大約需要一個半小時。
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