我们蓝星人梦想的太空电梯，在火星有可能成为现实

玉兔

图片：《机动战士高达 00》

星移君，http://interimm.org 星际移民中心

蓝星人始终幻想着，能有一天摆脱火箭这种低效率的运输方式，直接建立从地面通往天穹的“天梯”。有人把它叫做“太空电梯”，也有人称之为“轨道升降机”。然而他们并不知道，由于无法突破物理定律的限制，在蓝星上建起太空电梯并不现实。而与此相反的是，若干年后，离太阳更为遥远的火星上，一架架太空电梯却能“屹立”而起。
太空电梯的前世今生
早在《圣经·创世纪》中，人类就希望共同建造一座从地面高耸至天际的通天巨塔——巴别塔，来传扬自己的声名。而最早提出太空电梯这个概念的人应该是俄国的“火箭之父”——齐奥尔科夫斯基。
他设想中的这座太空电梯从地面一直通往高达 36000 千米的地球同步轨道。随着电梯高度的不断升高，内部的重力也逐渐降低。当货物随着电梯到达终点站时，其自身的速度就已经能维持绕地球的同步轨道运动了。因此同步轨道站点处于完全失重的状态。
在 1979 年，亚瑟·克拉克的科幻小说——《天堂的喷泉》第一次将太空电梯这个超前的概念带入了公众的视野。在此之后，太空电梯也广泛存在于各类科幻作品中。不论是《三体》中使用先进的纳米材料制造的太空电梯，还是《机动战士高达 00》中 Union、AEU、人革联三分天下时的三架轨道升降机，其基本概念与原理都是相同的。

《机动战士高达 00》中设想的太空电梯
如今，我们也能时不时地听到一些相关的新闻报道，要么是日本的公司“大林组”计划在 2050 年之前建成第一座太空电梯，抑或是加拿大的公司提出了新的太空电梯方案。先不管这是否是商业公司进行炒作的噱头，这些新闻确实让更多的人产生了一种疑惑——我们离抛弃火箭、拥抱太空电梯的时代真的很近了吗？
事实果真如此？建造太空电梯所需要的科技离我们究竟有多远？我们将在下文中进行详尽的分析。
太空电梯？受压还是受拉？
在介绍太空电梯的原理之前，我们必须要明确一个问题——太空电梯是一座伫立于地面的巨塔还是一条从轨道上垂下的悬链？或者也可以这样问——太空电梯是受压的还是受拉的？
在齐奥尔科夫斯基最早提出的方案中，太空电梯是一座塔。与大多数高层建筑的受力情况类似，这样的太空电梯内部受到的是压力。对于常用的建筑材料，例如混凝土来说，其抗压性能是抗拉性能的十倍。但是如今的太空电梯方案都是从同步轨道向下延伸的一条悬链，而寻找高强度的抗拉材料则成为了太空电梯能否建成的关键。
为什么选择让太空电梯受拉而不是受压呢？这就要谈到力学上稳定性的问题。在生活中我们都有这样的经验：对于一根空心的吸管，怎么拉都拉不断；但是一旦你顶住吸管的两头向内使力的话，用很小的力就可以让吸管弯折。实际上，吸管并不是由于内部应力超过抗压强度被压坏的，而是由于压力导致吸管产生了稳定性失效（也称为失稳或者屈曲失效）。
材料刚好发生失稳时的受到的压力被称为临界失稳压力，这个临界力的大小与结构的长度的平方成反比。换句话说，如果将这根吸管对半剪开，那么使它失稳的临界压力就会变为原来的四倍。
相比于地球上的高层建筑来说，太空电梯的长细比可就大得多了。比如目前最高的建筑迪拜塔，它的长细比约在 10:1。而长度达到 36000 千米的太空电梯，其长细比至少也能接近万的量级。如果让它承受压力的话，它的失稳临界压力将会非常之小，很可能会直接被自己的自重给压垮。因此，我们只有考虑受拉的太空电梯方案，才能避开稳定性失效的问题继续分析。
太空电梯的设计原理
我们已经知道了，太空电梯是一条从同步轨道垂下来的“悬链”。这意味着，在越接近同步轨道的地方，太空电梯内部受到的拉力将越大。这是因为在电梯的任何一个分段，都将受到其下所有部分的重力的作用。

来源：daily.zhihu.com