离开地球去度假，这个愿望何时能实现？
第 6 期
在《未来科技体验馆第一季》中，我曾经给大家做过一期题为《太空旅游离我们还有多远》的节目。在那期节目中，我做了一个预测：
10 年后，各国的中产阶级就能买得起一张太空旅游的船票，在地球近地轨道看一眼蔚蓝色的地球，然后返回地面。
30 年后，中产阶级就能预订一间太空旅馆，在太空中住一晚，过一天航天员的生活。
但在我看来，这样的太空旅游实际上并没有真正离开地球，我们依然是在地球的引力范围内活动。
这次我要把这个话题继续往前推进，我很想跟大家聊聊：在可预见的未来，人类到底有没有可能真正离开地球，去月球或者火星度个假呢？或者更远一点，普通人是否能以月球或者太空站为基地，去更遥远的木星、土星，甚至冥王星兜一圈玩玩呢？在航天领域，有没有什么关键性的技术奇点，一旦突破这个奇点，我们将迎来航天事业的大爆发呢？
航天事业最最难的是逃脱地球的引力，我们可以把地球想象成一口引力井，而我们人类就是井底之蛙，只要能跳出这口井，那外面就是一马平川，广阔宇宙任翱翔。为什么说跳出这口井就是一马平川呢？因为在太空中航行，其实非常节省能量，因为真空中几乎没有阻力，太空船只有在加速、减速、变轨的时候需要消耗燃料，这与克服地球引力所需要消耗的燃料比起来，那简直就是小巫见大巫了。
人类现在唯一掌握的跳出引力井的技术只有火箭技术，可火箭最大的问题就是发射成本实在太高了。其中最大的一个原因就是，在过去，火箭都是一次性消耗品，造一枚火箭要花费几千万到上亿美元。打个比方，火箭发射就好像一个土豪买一架波音 737 客机，飞一次就扔了，下次再飞，就再买一架。像这样的土豪，全世界能有几个呢？
因此，为了把火箭发射的成本给降下来，不管是埃隆·马斯克的太空探索公司还是维珍银河公司、蓝色起源公司，他们正在做的都是设法让火箭能够回收和重复利用。
2020 年初，SpaceX 的车辆整合主管克里斯托弗 · 库鲁里斯(Christopher Couluris)在一次简报会上表示，可回收的猎鹰 9 号的单次发射成本最终可以降低到 2800 万美元[1]。这是什么概念呢？可回收的猎鹰 9 号的最大载荷大约是 30 吨，也就是每吨 93 万美元，这差不多是现在普通航空运输价格的 200 倍。你可能一下子没反应过来 200 倍的差距有多大，举个例子，这就好像 1 万月薪的你和 200 万月薪老板的差距。
另一家太空旅游公司维珍银河甚至已经开始销售太空旅游的船票。根据美国证券交易委员会（SEC）文件[2]：维珍银河打算在 2023 年前，每隔 32 小时就将一批游客送上太空。尽管这个所谓的“太空旅游”其实只是像坐在一发炮弹中，仅仅是去距离地表 100 公里的高空短暂地看一眼，然后就迅速落回地表，但票价也高达 25 万美元/张。维珍银河创始人理查德·布兰森的最乐观估计是：10 年后，票价可以降至 5 万美元以内，另一家叫蓝色起源的公司，他们公布的太空旅游的票价也差不多。
图：维珍银河公司创始人Richard Branson
听到这里，我估计很多人会将太空飞行与传统的交通运输业做类比，或许会想：规模化生产必然带来成本的快速下降，只要太空旅游的这个市场能够持续培育起来，票价应该会越来越低，直到所有的普通人都能买得起，就好像当年的汽车、轮船、民航飞机，不都经历过一个从富人走向平民百姓的过程吗？
问题是——航天发射这个事情还真没有想得那么简单。为了把它的困难跟你讲清楚，我今天要给你讲一些高级货。
有一个大名鼎鼎的火箭方程，它的提出者就是被喻为人类火箭之父的俄罗斯科学家康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基。这个火箭方程，它就好像孙悟空给唐僧画下的一个安全圈，人类的火箭无论再怎么改进技术，都无法跳出被它圈定的性价比。
在解释这个方程之前，我们先来看看火箭这种运输工具和汽车、轮船、飞机有什么本质的不同。
首先，只有火箭在运动过程中需要不断地对抗地心引力，而其他运输工具在运动过程中基本不需要对抗地心引力。用更通俗的话来说：火箭是相对地面垂直向上运动，而其他运输工具则基本保持水平运动。千万不要小看这种运动方向不同造成的本质差异，我给你解释一下：
汽车在运动过程中要克服的阻力主要是来自地面的摩擦力，摩擦力的大小主要取决于轮胎与地面之间的滚动摩擦系数，与汽车本身的重量关系很小。例如，在普通的城市道路上，滚动摩擦系数大约是 0.02，它的意思是说，当汽车的重量增加一倍，摩擦力只会增大 0.02 倍左右。所以从性价比来说，货车载重量越大，单位重量的能耗反而越低。
轮船在运动过程中要克服的阻力主要来自水对轮船的阻力，水阻力的大小主要取决于轮船的速度，以及轮船和水的接触面积，与轮船本身的质量关系不大。计算公式比较复杂，但结论也和汽车差不多，轮船的载重量做得越大，单位重量的能耗也越低。所以，远洋巨轮做的是一个比一个大，如果不是世界上几大海峡的船闸限制，我们还会把运输船做得更大。
飞机在运动过程中要克服的阻力主要来自空气阻力，空气阻力的大小与轮船在水中遇到的阻力很类似，结论也类似：飞机也是载客量越大，单位重量的能耗越低。
因此，汽车、轮船、飞机这些运输工具，它们的性价比，可以用一句话来概括：越大越划算。
但是，这个规律到了火箭这里就要被打破了。因为火箭需要对抗地心引力向上运动，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样东西相关，那就是火箭的质量。火箭的质量越大，需要克服的阻力也越大。但非常矛盾的是，给火箭提供动力的燃料本身就有巨大的质量，燃料加得越多，就需要消耗更多的燃料来把这些燃料给送上天。这有点像古代行军打仗送粮草的后勤队伍，队伍的人畜越多，他们自己要吃掉的粮草也就越多。这样一来，就会使得计算火箭的燃料装载量与有效载荷之间的关系变得很复杂。
而第一位得到公认的，把这种复杂关系给弄清楚的就是齐奥尔科夫斯基，他提出的火箭方程也被称为齐奥尔科夫斯基火箭方程。要深刻理解人类航天技术目前面临的困境，我们必须要先深刻理解一下火箭方程。
我想请大家不要怕，这个方程并不是很难理解。在接下去的几分钟里，虽然有一些高能，但只要专心，就一定能弄懂，一旦弄懂了，你会获得洞悉原理的巨大乐趣。
这个方程近似地描述了火箭起飞时的初始总质量 m0 和火箭在燃料烧完之后剩下的纯质量 m1 之间的关系。它们之间的关系是一个一次函数关系，如果用一个方程式写出来就是：
m1 = am0
如果我们把 m1改为大家熟悉的 y，m0 改为大家熟悉的 x，那么写出来就是这样：
y = ax
这种一次函数的图像在直角坐标系中是怎样的呢？很简单，就是过原点的一根直线嘛。假如系数 a=1，那么它就是一根斜率为 45 度的直线。
这根直线的斜率取决于系数 a 的值。
如果 a<1，那么斜率就会小于 45 度；
如果 a>1，斜率就大于 45 度。
这个 45 度的斜率就像是一个分水岭，假如斜率刚好是 45 度，它的含义是：x 增加一倍，那么 y 也恰好是增大一倍，两者之间以同样的比例增大或者减小。但如果斜率大于 45 度，也就是 a 如果大于 1，那么 x 增大一倍，y 就增大不止一倍。反过来，如果斜率小于 45 度，那么 x 增加一倍，y 增大的就不到一倍。
前面我们设定过，y 相当于火箭燃料烧完后剩下的纯质量，x 相当于火箭初始总质量，也就是说，这个斜率 a 的数值是大于 1 还是小于 1 决定了一个关键问题，即火箭的初始质量增大一倍，在火箭把燃料烧完后，剩下的纯质量到底能增大超过一倍还是小于一倍。通俗地说，就是火箭到底是造得越大越划算，还是造得越大越不划算，它取决于那个要命的系数 a 的值到底是小于 1 还是大于 1。
火箭之父齐奥尔科夫斯基的最大贡献就是把这个系数 a 的计算方法给弄清楚了，他发现，a 的数值基本上取决于两个关键参数：
火箭加速前后的速度差值，这个参数记作 Δv。因为本文只研究从地面静止状态发射的火箭，所以这个 Δv 就可以当作是火箭燃料烧完后达到的最高速度；
另一个参数是火箭的排气速度，就是火箭尾巴上喷出的那些火焰的流速，这个参数记做 ve ，这个速度也是衡量火箭发动机好坏的一个重要指标。
那么，系数 a 和这两个参数具体是怎样的数学关系呢？
因为我们的目的是要研究这个 a 的数值大约是多少，是大于 1 还是小于 1，因此，下面我就来给大家一边解释、计算这个公式，一边分析这个公式的取值范围。
要把这个 a 的取值范围计算出来，我们需要分成以下三步：
用火箭的最高速度除以火箭的排气速度。火箭要飞离地球进入环绕轨道，至少要达到 7.9 千米/秒的环绕速度，这是速度的下限，实际上需要达到的速度要比这个更高一些才行。为了简化计算，我们可以把这个速度设定为 9 千米/秒。火箭的排气速度是多少呢？以人类目前的技术水平，大约能做到 2000 - 4000 米/秒。为了简化计算，我们取一个均值，也就是 3 千米/秒。这样一来，火箭的最高速度除以火箭的排气速度就是 9 除以 3，等于 3。这个数字就是下一步我们要用到的指数的数值。
算出自然常数 e 的 3 次方的数值，这里的 3 就是上一步算出来的那个 3。自然常数 e 是一个类似于圆周率 π 这样的无限不循环小数，它的值约等于 2.71828，所以 e 的 3 次方约等于 20。
取 20 的倒数，也就是二十分之一，等于 0.05。
好了，计算结束，通过这样三步，我们就计算出了系数 a 的取值。因为前面的取值都经过了一系列的简化，所以，a 的实际取值大约就是在 0.05 附近。
于是，火箭起飞时的初始总质量 m0 和火箭加速后的纯质量 m1 之间的关系就可以近似地写为：
m1 = 0.05m0
这是什么概念呢？我给你解读一下，这大致意味着：火箭的燃料重量增加一倍，火箭的有效载荷只能增加 0.05 倍；若要想增加一倍的有效载荷，火箭就要多加 20 倍的燃料。
这个结论有没有让你大吃一惊？这就是目前人类基于火箭的航天技术面临的最大尴尬和困境，我们付出 20 倍的努力，才能换回 1 倍的回报。你要知道，燃料可不是说加 20 倍就可以加 20 倍的。燃料多就意味着装燃料的腔体要造得更大更重，对腔体材料的要求，以及对工程制造技术、控制技术的要求都是等比例地增加，这些又会导致火箭变得更重，需要更多的燃料，有点像是一个恶性循环。
人类历史上，到目前为止运载能力最强的火箭是把阿波罗登月飞船送上天的土星五号火箭，它的自重达到了惊人的 3000 吨，但是它最多只能把 140 吨的东西给送到地球近地轨道。这就是航天发射为什么这么贵的根本原因，因为火箭燃料的有效利用率实在是太低了。
讲到这里，我们可以得出一个结论：只要我们的航天发射还是采用火箭技术，那么很遗憾，在我们可预期的将来，恐怕都不可能让普通老百姓实现太空旅游的梦想。太空旅游永远只能是富人们的娱乐。同样的道理，因为成本降不下来，所以，大规模地建设空间站也是痴心妄想，将地面上的东西送上太空，实在是太昂贵了。
要想真正降低成本，我们必须另辟蹊径，彻底摆脱齐奥尔科夫斯基火箭方程对人类航天事业的禁锢。所谓摆脱火箭方程的禁锢，就是把能量和载荷给分离开——燃料（或者说提供能量的物质）不需要和载荷一起上天。
以目前人类所掌握的科学理论，办法有，且只有一个。
电梯和火箭的本质区别是：能量提供者和载荷完全分离，电梯可以依靠没有任何质量的电力往上升，它完全不受火箭方程的管辖，它的耗能与摩天大楼电梯的耗能是一样的。
而太空电梯设想的最早提出者依然是我们前面一再提到的火箭之父齐奥尔科夫斯基。早在 1895 年，他就正式提出了太空电梯的基本原理。
太空电梯的原理用最简单的话来说就是在地球同步轨道卫星上垂一根长长的绳子，一直垂到地面上。因为地球同步轨道卫星与地球自转同步，所以理论上这根绳子与地面接触的地点就是可以固定在地球赤道某处的。这根绳子上如果再装一个可以升降的电梯，那么就可以慢慢地升到太空中了。
当然，这么说肯定是过于简化了，实际情况还要比这个复杂点。地球同步轨道的高度是在地球赤道上空大约 36000 千米，所以一根长达 36000 千米的绳子的质量也会相当大，那么绳子加上同步卫星的共同质心就在同步轨道高度以下，这样就不能保证它们整体上和地球自转保持同步了。
要解决这个问题就需要把这根绳子继续加长，一直延伸到卫星的上方，再连接一个巨大的配重物体，使得所有连在一起的物体的共同质心刚好落在地球同步轨道上。如果到这里，你还是没怎么太明白的话，可以看一眼我附上的示意图，可以帮助你快速理解太空电梯的原理和结构。
科学家们设想：可以从太空中捕获一颗近地小行星来充当这个结构中的平衡配重物体，或者将人类留在太空中的各种报废卫星收集起来。总之，这里不存在根本性的技术难题。哪怕就是用火箭不停地往上发东西，那也是一次性投入，再贵也值得。在著名的论文检索网站 Science Direct 上用关键词“Space elevator”检索的话，你能找到 30 多篇标题中含有这个关键词的论文。太空电梯可不仅仅只是科幻小说热衷的题材，也是科学家们一直在探讨的严肃话题。
建造太空电梯的真正难点是这根超过 4 万公里的缆绳，我们究竟该用什么材料来制造这根缆绳呢？
我们对这根缆绳的材料需求是：自身的质量必须非常非常轻，而它的抗拉强度则必须非常非常高。
在材料学中，材料强度的单位是“尤里”，也就是单位面积能够承受的极限力与材料的密度之比。经常被用来做眼镜腿的钛合金的强度大概是 30 万尤里，美国杜邦公司发明的超强材料凯夫拉的强度大约为 250 万尤里。而要成为太空电梯的缆绳，根据计算，它的强度应当介于 3000 万至 8000 万尤里之间。
什么材料能达到如此高的强度呢？
事实上，这种材料人类已经找到了。我们在之前那期讲新材料的节目中就已经提到了，它就是把石墨烯给卷成一根圆筒的形状，这就是——碳纳米管。从微观上看，它是碳原子排列成吸管的形状，直径小于头发丝。不过，材料的强度会随着碳原子厚度的增大而减小，要想得到最高的强度，那就要制造出单层碳原子形成的碳纳米管。如果工艺完美的话，在理论上单层碳纳米管的强度能达到 5000 万至 6000 万尤里的水平，这足以用作太空电梯的缆绳。
现在市面上也有号称碳纳米管的材料在售卖，但那些实际上还不能称之为真正的碳纳米管，因为碳原子不够薄。
2013 年，我国清华大学的魏飞教授团队成功制造出了当时世界上最长的碳纳米管，长度大约是 0.55 米，这项成就在线发表在了国际著名材料学期刊《美国化学纳米》[3]上。6 年后的 2019 年，魏飞教授团队又将这项世界纪录增加了 10 厘米，制造出了 0.65 米长的碳纳米管，论文于 2019 年 10 月发表在著名的《自然》杂志旗下的《自然通讯》[4]上。6 年的时间，才增加了 10 厘米，可见要制造这种材料有多难。
而我们的目标是要制造超过 4 万千米的长度，这显然还有一个巨大的技术鸿沟需要跨越，但这已经不再是科学原理上的瓶颈，人类需要的仅仅是时间加上一点好运气。我不知道人类何时能突破这个技术奇点。
未来的某一日，在印尼林加缪内群岛以东的海面上，建起了一个巨大的海上漂浮平台，这就是全世界 100 多个国家通力合作、共同参与建设的太空电梯 1 号的地面基站。这个平台装有几台航母级的引擎，可以推着平台沿着赤道线移动，既能避开恶劣的天气，还可以调整缆绳的位置，以规避有可能的碰撞风险。
从地面基站通向太空，有两根平行的轨道，上行和下行的电梯各行其道。每隔 30 分钟，便会有一台载重 10 吨的电梯启动上升和回到地面，从远处看过去，就好像天地之间被两根闪闪发亮的项链连接了起来。
每吨货物被运送到地球同步轨道的成本已经下降到了 5 万美元以下，各种各样的物资以及太空游客被源源不断地送往地球同步轨道。在太空中，形形色色的工厂开始建设。在失重的太空中装配大型设备甚至比在地球上更容易，功能形态各异的太空观光设施越建越多。
同时，一艘艘太空船将在太空中被直接拼装出来，地球太空港的建设也开始启动，人类将以地球太空港为基地，一点一点地扩大我们在太空活动的版图。
月球港、火星港的建设蓝图也被提上了日程，这是人类历史上的第二次大航海时代，那必将是一个充满了激情和斗志的太空时代。
讲到这里，我耳中又回荡起齐奥尔科夫斯基的那句名言：
地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中。
关于太空旅行的畅想就到这里。在最后，我又要公布今天的知识彩蛋了。
未来科技
体验馆
提问