《三體》航天考:太空電梯無工質推進終極曲率驅動

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「三體人」與地球人類之間數百年乃至整個宇宙的故事。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。

太空電梯想像圖

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後，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臺(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。

分清主次後，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：

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、空天飛機等太空飛行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臺的聚光燈之外，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絡，共同勾勒出完整的技術畫卷。

2、太空電梯，扶搖直上九萬裡

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。

大劉在小說裡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鍊。

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裡處。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公裡的高空中垂下來，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「只有六十釐米寬」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關鍵科研人物，汪淼的生活和工作均被三體人幹擾。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裡處，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裡長的纜繩，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。

與大多數公共運輸一樣，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「站臺」以方便乘客和貨物上下。這些站臺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)運載艙上升或太空飛行器起飛時，這些人會同時拔搶照射，雷射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臺上，它與任何空中航線或船舶航路的距離至少為650公裡。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公裡高度以下的部分。

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梁、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臺上。這個移動平臺就像放大版的海上石油鑽井平臺。移動平臺上裝有推進器，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。

太空電梯基座想像圖

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，但投入運行後，它與傳統太空飛行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梁造好之後，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絡，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臺太空電梯與地球相連，仿佛自行車的輻條。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梁。

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，核彈逐個分布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。