離開地球去度假，這個願望何時能實現？

太空旅行即將到來？

在《未來科技體驗館第一季》中，我曾經給大家做過一期題為《太空旅遊離我們還有多遠》的節目。在那期節目中，我做了一個預測：

10 年後，各國的中產階級就能買得起一張太空旅遊的船票，在地球近地軌道看一眼蔚藍色的地球，然後返回地面。30 年後，中產階級就能預訂一間太空旅館，在太空中住一晚，過一天航天員的生活。

但在我看來，這樣的太空旅遊實際上並沒有真正離開地球，我們依然是在地球的引力範圍內活動。

這次我要把這個話題繼續往前推進，我很想跟大家聊聊：在可預見的未來，人類到底有沒有可能真正離開地球，去月球或者火星度個假呢？或者更遠一點，普通人是否能以月球或者太空站為基地，去更遙遠的木星、土星，甚至冥王星兜一圈玩玩呢？在航天領域，有沒有什麼關鍵性的技術奇點，一旦突破這個奇點，我們將迎來航天事業的大爆發呢？

航天事業最最難的是逃脫地球的引力，我們可以把地球想像成一口引力井，而我們人類就是井底之蛙，只要能跳出這口井，那外面就是一馬平川，廣闊宇宙任翱翔。為什麼說跳出這口井就是一馬平川呢？因為在太空中航行，其實非常節省能量，因為真空中幾乎沒有阻力，太空船只有在加速、減速、變軌的時候需要消耗燃料，這與克服地球引力所需要消耗的燃料比起來，那簡直就是小巫見大巫了。

人類現在唯一掌握的跳出引力井的技術只有火箭技術，可火箭最大的問題就是發射成本實在太高了。其中最大的一個原因就是，在過去，火箭都是一次性消耗品，造一枚火箭要花費幾千萬到上億美元。打個比方，火箭發射就好像一個土豪買一架波音 737 客機，飛一次就扔了，下次再飛，就再買一架。像這樣的土豪，全世界能有幾個呢？

因此，為了把火箭發射的成本給降下來，不管是埃隆·馬斯克的太空探索公司還是維珍銀河公司、藍色起源公司，他們正在做的都是設法讓火箭能夠回收和重複利用。

2020 年初，SpaceX 的車輛整合主管克里斯多福 · 庫魯裡斯(Christopher Couluris)在一次簡報會上表示，可回收的獵鷹 9 號的單次發射成本最終可以降低到 2800 萬美元[1]。這是什麼概念呢？可回收的獵鷹 9 號的最大載荷大約是 30 噸，也就是每噸 93 萬美元，這差不多是現在普通航空運輸價格的 200 倍。你可能一下子沒反應過來 200 倍的差距有多大，舉個例子，這就好像 1 萬月薪的你和 200 萬月薪老闆的差距。

另一家太空旅遊公司維珍銀河甚至已經開始銷售太空旅遊的船票。根據美國證券交易委員會（SEC）文件[2]：維珍銀河打算在 2023 年前，每隔 32 小時就將一批遊客送上太空。儘管這個所謂的「太空旅遊」其實只是像坐在一發炮彈中，僅僅是去距離地表 100 公裡的高空短暫地看一眼，然後就迅速落回地表，但票價也高達 25 萬美元/張。維珍銀河創始人理察·布蘭森的最樂觀估計是：10 年後，票價可以降至 5 萬美元以內，另一家叫藍色起源的公司，他們公布的太空旅遊的票價也差不多。

維珍銀河公司創始人Richard Branson

聽到這裡，我估計很多人會將太空飛行與傳統的交通運輸業做類比，或許會想：規模化生產必然帶來成本的快速下降，只要太空旅遊的這個市場能夠持續培育起來，票價應該會越來越低，直到所有的普通人都能買得起，就好像當年的汽車、輪船、民航飛機，不都經歷過一個從富人走向平民百姓的過程嗎？

問題是——航天發射這個事情還真沒有想得那麼簡單。為了把它的困難跟你講清楚，我今天要給你講一些高級貨。

越大越划算？

有一個大名鼎鼎的火箭方程，它的提出者就是被喻為人類火箭之父的俄羅斯科學家康斯坦丁·埃杜阿爾多維奇·齊奧爾科夫斯基。這個火箭方程，它就好像孫悟空給唐僧畫下的一個安全圈，人類的火箭無論再怎麼改進技術，都無法跳出被它圈定的性價比。

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky

在解釋這個方程之前，我們先來看看火箭這種運輸工具和汽車、輪船、飛機有什麼本質的不同。

首先，只有火箭在運動過程中需要不斷地對抗地心引力，而其他運輸工具在運動過程中基本不需要對抗地心引力。用更通俗的話來說：火箭是相對地面垂直向上運動，而其他運輸工具則基本保持水平運動。千萬不要小看這種運動方向不同造成的本質差異，我給你解釋一下：

汽車在運動過程中要克服的阻力主要是來自地面的摩擦力，摩擦力的大小主要取決於輪胎與地面之間的滾動摩擦係數，與汽車本身的重量關係很小。例如，在普通的城市道路上，滾動摩擦係數大約是 0.02，它的意思是說，當汽車的重量增加一倍，摩擦力只會增大 0.02 倍左右。所以從性價比來說，貨車載重量越大，單位重量的能耗反而越低。

輪船在運動過程中要克服的阻力主要來自水對輪船的阻力，水阻力的大小主要取決於輪船的速度，以及輪船和水的接觸面積，與輪船本身的質量關係不大。計算公式比較複雜，但結論也和汽車差不多，輪船的載重量做得越大，單位重量的能耗也越低。所以，遠洋巨輪做的是一個比一個大，如果不是世界上幾大海峽的船閘限制，我們還會把運輸船做得更大。

飛機在運動過程中要克服的阻力主要來自空氣阻力，空氣阻力的大小與輪船在水中遇到的阻力很類似，結論也類似：飛機也是載客量越大，單位重量的能耗越低。

因此，汽車、輪船、飛機這些運輸工具，它們的性價比，可以用一句話來概括：越大越划算。

但是，這個規律到了火箭這裡就要被打破了。因為火箭需要對抗地心引力向上運動，所以，火箭遇到的最大阻力就是地心引力，而地心引力的大小几乎只跟一樣東西相關，那就是火箭的質量。火箭的質量越大，需要克服的阻力也越大。但非常矛盾的是，給火箭提供動力的燃料本身就有巨大的質量，燃料加得越多，就需要消耗更多的燃料來把這些燃料給送上天。這有點像古代行軍打仗送糧草的後勤隊伍，隊伍的人畜越多，他們自己要吃掉的糧草也就越多。這樣一來，就會使得計算火箭的燃料裝載量與有效載荷之間的關係變得很複雜。

而第一位得到公認的，把這種複雜關係給弄清楚的就是齊奧爾科夫斯基，他提出的火箭方程也被稱為齊奧爾科夫斯基火箭方程。要深刻理解人類航天技術目前面臨的困境，我們必須要先深刻理解一下火箭方程。

火箭方程

我想請大家不要怕，這個方程並不是很難理解。在接下去的幾分鐘裡，雖然有一些高能，但只要專心，就一定能弄懂，一旦弄懂了，你會獲得洞悉原理的巨大樂趣。

這個方程近似地描述了火箭起飛時的初始總質量 m0 和火箭在燃料燒完之後剩下的純質量 m1 之間的關係。它們之間的關係是一個一次函數關係，如果用一個方程式寫出來就是：

m1 = am0

如果我們把 m1改為大家熟悉的 y，m0 改為大家熟悉的 x，那麼寫出來就是這樣：

y = ax

這種一次函數的圖像在直角坐標系中是怎樣的呢？很簡單，就是過原點的一根直線嘛。假如係數 a=1，那麼它就是一根斜率為 45 度的直線。

這根直線的斜率取決於係數 a 的值。

如果 a<1，那麼斜率就會小於 45 度；

如果 a>1，斜率就大於 45 度。

這個 45 度的斜率就像是一個分水嶺，假如斜率剛好是 45 度，它的含義是：x 增加一倍，那麼 y 也恰好是增大一倍，兩者之間以同樣的比例增大或者減小。但如果斜率大於 45 度，也就是 a 如果大於 1，那麼 x 增大一倍，y 就增大不止一倍。反過來，如果斜率小於 45 度，那麼 x 增加一倍，y 增大的就不到一倍。

前面我們設定過，y 相當於火箭燃料燒完後剩下的純質量，x 相當於火箭初始總質量，也就是說，這個斜率 a 的數值是大於 1 還是小於 1 決定了一個關鍵問題，即火箭的初始質量增大一倍，在火箭把燃料燒完後，剩下的純質量到底能增大超過一倍還是小於一倍。通俗地說，就是火箭到底是造得越大越划算，還是造得越大越不划算，它取決於那個要命的係數 a 的值到底是小於 1 還是大於 1。

火箭之父齊奧爾科夫斯基的最大貢獻就是把這個係數 a 的計算方法給弄清楚了，他發現，a 的數值基本上取決於兩個關鍵參數：

1. 火箭加速前後的速度差值，這個參數記作 Δv。因為本文只研究從地面靜止狀態發射的火箭，所以這個 Δv 就可以當作是火箭燃料燒完後達到的最高速度；
2. 另一個參數是火箭的排氣速度，就是火箭尾巴上噴出的那些火焰的流速，這個參數記做 ve ，這個速度也是衡量火箭發動機好壞的一個重要指標。

那麼，係數 a 和這兩個參數具體是怎樣的數學關係呢？

因為我們的目的是要研究這個 a 的數值大約是多少，是大於 1 還是小於 1，因此，下面我就來給大家一邊解釋、計算這個公式，一邊分析這個公式的取值範圍。

要把這個 a 的取值範圍計算出來，我們需要分成以下三步：

1. 用火箭的最高速度除以火箭的排氣速度。火箭要飛離地球進入環繞軌道，至少要達到 7.9 千米/秒的環繞速度，這是速度的下限，實際上需要達到的速度要比這個更高一些才行。為了簡化計算，我們可以把這個速度設定為 9 千米/秒。火箭的排氣速度是多少呢？以人類目前的技術水平，大約能做到 2000 - 4000 米/秒。為了簡化計算，我們取一個均值，也就是 3 千米/秒。這樣一來，火箭的最高速度除以火箭的排氣速度就是 9 除以 3，等於 3。這個數字就是下一步我們要用到的指數的數值。
2. 算出自然常數 e 的 3 次方的數值，這裡的 3 就是上一步算出來的那個 3。自然常數 e 是一個類似於圓周率 π 這樣的無限不循環小數，它的值約等於 2.71828，所以 e 的 3 次方約等於 20。
3. 取 20 的倒數，也就是二十分之一，等於 0.05。

好了，計算結束，通過這樣三步，我們就計算出了係數 a 的取值。因為前面的取值都經過了一系列的簡化，所以，a 的實際取值大約就是在 0.05 附近。

於是，火箭起飛時的初始總質量 m0 和火箭加速後的純質量 m1 之間的關係就可以近似地寫為：

m1 = 0.05m0

這是什麼概念呢？我給你解讀一下，這大致意味著：火箭的燃料重量增加一倍，火箭的有效載荷只能增加 0.05 倍；若要想增加一倍的有效載荷，火箭就要多加 20 倍的燃料。

這個結論有沒有讓你大吃一驚？這就是目前人類基於火箭的航天技術面臨的最大尷尬和困境，我們付出 20 倍的努力，才能換回 1 倍的回報。你要知道，燃料可不是說加 20 倍就可以加 20 倍的。燃料多就意味著裝燃料的腔體要造得更大更重，對腔體材料的要求，以及對工程製造技術、控制技術的要求都是等比例地增加，這些又會導致火箭變得更重，需要更多的燃料，有點像是一個惡性循環。

人類歷史上，到目前為止運載能力最強的火箭是把阿波羅登月飛船送上天的土星五號火箭，它的自重達到了驚人的 3000 噸，但是它最多只能把 140 噸的東西給送到地球近地軌道。這就是航天發射為什麼這麼貴的根本原因，因為火箭燃料的有效利用率實在是太低了。

土星五號

講到這裡，我們可以得出一個結論：只要我們的航天發射還是採用火箭技術，那麼很遺憾，在我們可預期的將來，恐怕都不可能讓普通老百姓實現太空旅遊的夢想。太空旅遊永遠只能是富人們的娛樂。同樣的道理，因為成本降不下來，所以，大規模地建設空間站也是痴心妄想，將地面上的東西送上太空，實在是太昂貴了。

要想真正降低成本，我們必須另闢蹊徑，徹底擺脫齊奧爾科夫斯基火箭方程對人類航天事業的禁錮。所謂擺脫火箭方程的禁錮，就是把能量和載荷給分離開——燃料（或者說提供能量的物質）不需要和載荷一起上天。

以目前人類所掌握的科學理論，辦法有，且只有一個。

太空電梯

電梯和火箭的本質區別是：能量提供者和載荷完全分離，電梯可以依靠沒有任何質量的電力往上升，它完全不受火箭方程的管轄，它的耗能與摩天大樓電梯的耗能是一樣的。

而太空電梯設想的最早提出者依然是我們前面一再提到的火箭之父齊奧爾科夫斯基。早在 1895 年，他就正式提出了太空電梯的基本原理。

太空電梯的原理用最簡單的話來說就是在地球同步軌道衛星上垂一根長長的繩子，一直垂到地面上。因為地球同步軌道衛星與地球自轉同步，所以理論上這根繩子與地面接觸的地點就是可以固定在地球赤道某處的。這根繩子上如果再裝一個可以升降的電梯，那麼就可以慢慢地升到太空中了。

當然，這麼說肯定是過於簡化了，實際情況還要比這個複雜點。地球同步軌道的高度是在地球赤道上空大約 36000 千米，所以一根長達 36000 千米的繩子的質量也會相當大，那麼繩子加上同步衛星的共同質心就在同步軌道高度以下，這樣就不能保證它們整體上和地球自轉保持同步了。

要解決這個問題就需要把這根繩子繼續加長，一直延伸到衛星的上方，再連接一個巨大的配重物體，使得所有連在一起的物體的共同質心剛好落在地球同步軌道上。如果到這裡，你還是沒怎麼太明白的話，可以看一眼我附上的示意圖，可以幫助你快速理解太空電梯的原理和結構。

科學家們設想：可以從太空中捕獲一顆近地小行星來充當這個結構中的平衡配重物體，或者將人類留在太空中的各種報廢衛星收集起來。總之，這裡不存在根本性的技術難題。哪怕就是用火箭不停地往上發東西，那也是一次性投入，再貴也值得。在著名的論文檢索網站 Science Direct 上用關鍵詞「Space elevator」檢索的話，你能找到 30 多篇標題中含有這個關鍵詞的論文。太空電梯可不僅僅只是科幻小說熱衷的題材，也是科學家們一直在探討的嚴肅話題。

建造太空電梯的真正難點是這根超過 4 萬公裡的纜繩，我們究竟該用什麼材料來製造這根纜繩呢？

技術奇點：超強材料

我們對這根纜繩的材料需求是：自身的質量必須非常非常輕，而它的抗拉強度則必須非常非常高。

在材料學中，材料強度的單位是「尤裡」，也就是單位面積能夠承受的極限力與材料的密度之比。經常被用來做眼鏡腿的鈦合金的強度大概是 30 萬尤裡，美國杜邦公司發明的超強材料凱夫拉的強度大約為 250 萬尤裡。而要成為太空電梯的纜繩，根據計算，它的強度應當介於 3000 萬至 8000 萬尤裡之間。

什麼材料能達到如此高的強度呢？

事實上，這種材料人類已經找到了。我們在之前那期講新材料的節目中就已經提到了，它就是把石墨烯給捲成一根圓筒的形狀，這就是——碳納米管。從微觀上看，它是碳原子排列成吸管的形狀，直徑小於頭髮絲。不過，材料的強度會隨著碳原子厚度的增大而減小，要想得到最高的強度，那就要製造出單層碳原子形成的碳納米管。如果工藝完美的話，在理論上單層碳納米管的強度能達到 5000 萬至 6000 萬尤裡的水平，這足以用作太空電梯的纜繩。

現在市面上也有號稱碳納米管的材料在售賣，但那些實際上還不能稱之為真正的碳納米管，因為碳原子不夠薄。

2013 年，我國清華大學的魏飛教授團隊成功製造出了當時世界上最長的碳納米管，長度大約是 0.55 米，這項成就在線發表在了國際著名材料學期刊《美國化學納米》[3]上。6 年後的 2019 年，魏飛教授團隊又將這項世界紀錄增加了 10 釐米，製造出了 0.65 米長的碳納米管，論文於 2019 年 10 月發表在著名的《自然》雜誌旗下的《自然通訊》[4]上。6 年的時間，才增加了 10 釐米，可見要製造這種材料有多難。

魏飛教授

而我們的目標是要製造超過 4 萬千米的長度，這顯然還有一個巨大的技術鴻溝需要跨越，但這已經不再是科學原理上的瓶頸，人類需要的僅僅是時間加上一點好運氣。我不知道人類何時能突破這個技術奇點。

如果這個技術奇點被突破

未來的某一日，在印尼林加繆內群島以東的海面上，建起了一個巨大的海上漂浮平臺，這就是全世界 100 多個國家通力合作、共同參與建設的太空電梯 1 號的地面基站。這個平臺裝有幾臺航母級的引擎，可以推著平臺沿著赤道線移動，既能避開惡劣的天氣，還可以調整纜繩的位置，以規避有可能的碰撞風險。

從地面基站通向太空，有兩根平行的軌道，上行和下行的電梯各行其道。每隔 30 分鐘，便會有一臺載重 10 噸的電梯啟動上升和回到地面，從遠處看過去，就好像天地之間被兩根閃閃發亮的項鍊連接了起來。

每噸貨物被運送到地球同步軌道的成本已經下降到了 5 萬美元以下，各種各樣的物資以及太空遊客被源源不斷地送往地球同步軌道。在太空中，形形色色的工廠開始建設。在失重的太空中裝配大型設備甚至比在地球上更容易，功能形態各異的太空觀光設施越建越多。

同時，一艘艘太空船將在太空中被直接拼裝出來，地球太空港的建設也開始啟動，人類將以地球太空港為基地，一點一點地擴大我們在太空活動的版圖。

月球港、火星港的建設藍圖也被提上了日程，這是人類歷史上的第二次大航海時代，那必將是一個充滿了激情和鬥志的太空時代。

講到這裡，我耳中又迴蕩起齊奧爾科夫斯基的那句名言：

地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中。

關於太空旅行的暢想就到這裡。在最後，我又要公布今天的知識彩蛋了。

提問：

假如太空電梯的纜繩斷了，會發生什麼呢？

如果你對此有興趣，我會在「未來小課堂」繼續為你講解，正文的精華內容後續還會以漫畫的形式整合上線。請搜索公眾號「浦發銀行」，回復關鍵詞「未來科技體驗館」便可進入彩蛋聽我講解！