《三体》航天考：太空电梯无工质推进终极曲率驱动

刘慈欣的科幻著作《三体》可谓中国科幻近年来的扛鼎之作。该书讲述了外星人“三体人”与地球人类之间数百年乃至整个宇宙的故事。它所蕴含的庞大设定、对宇宙的恢宏描写以及跌宕起伏的剧情，无一不深深抓住了读者的心。

既然是关于地球和宇宙的故事，书中自然不乏刘慈欣对未来航天科技的设想。这里，我们将探讨书中提到的航天技术，比如太空电梯、核聚变火箭和曲率驱动，并对这些航天科技进行或现实、或科幻的考据。

太空电梯想象图

1、合理的航天技术路线图

在得知外星人的入侵舰队——三体舰队——将于三四百年后抵达地球的消息后，人类的“危机纪元”来临了。为了打造太阳系防御圈，抵御侵略，人们把打造大吨位长续航作战平台(万吨级太空战舰)作为终极目标，把有待开发的技术分为关键技术和辅助技术。

分清主次后，有限资源集中于技术瓶颈，逐级向技术顶峰攀登。其中，关键技术就是核聚变发动机和太空电梯。

核聚变发动机，工质or非工质?

在物理学基础研究被三体人锁定、基础理论无法发展的情况下，人们只能根据各学科现有发展情况确定指标参数，推测人类可能达到的各种技术层次。

据此，中国太空军规划出万吨级太空战舰的三个技术层次，如下表所示：

为保证太空战舰拥有足够的推力和续航动力，战舰上只能配备人类掌握的最高密度能量——核聚变能。这时，在推进方式的选择上，航天界出现了分歧，航天实力派主张发展工质推进飞船。

航空母舰指挥官出身的中国太空军军官章北海认为，在强大的三体舰队面前，人类舰队采用工质推进就是死路一条，太阳系将变成威海卫，人类太空军将成为第二个北洋水师。

最终他单枪匹马，用一种有争议的独特方式解决了这一分歧，航天科研人员终于沿着无工质推进飞船的路径前进了。

可以说，没有章北海选择的正确道路，地球人就没有未来。

在“危机纪元”最初的日子里，化学燃料火箭、航天飞机、空天飞机等航天器纷纷登场又匆匆谢幕。它们或是因为性价比低，或是因为不能满足未来星际战争的需要而被淘汰了。最后的胜利者属于集中所有资源攻关的无工质核聚变发动机。

新突破，可能在哪里?

太空舰队需有天地往返系统、太空港口等基础设施支持，于是太空电梯和大型永久式空间站应运而生。

辅助技术包括循环生态系统、深海状态、人体冷冻、离子发动机、电磁发射器等。

辅助技术与关键技术一样不可或缺，只是它们处于技术舞台的聚光灯之外，不那么引人注意。以舰载循环生态系统为例，这是小说中人类实现的最重要的技术突破之一。如果没有自给自足的循环能力，人类后来的星舰文明、太空城、银河系文明都不会出现，地球人或三体人也根本无法走出自己的家园，成为真正的太空文明。

大刘构造了这样一个合理的航天关键技术发展链条，链条的每个环节又与辅助技术形成技术网络，共同勾勒出完整的技术画卷。

2、太空电梯，扶摇直上九万里

理论基础

太空电梯是“危机纪元”中最先实现的航天关键技术。太空电梯源自一个古老的梦想——用天梯连接地面与天空，人可以通过此梯往返天地之间。这个梦想可以追溯至《圣经》时代。《圣经·创世纪》中有这样一个故事：雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”。后人便把这梦想中的梯子，称之为雅各布天梯。

大刘在小说里这样描述了太空电梯在21世纪二三十年代的试运行：

“所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨，与设计中的四条导轨相比，运载能力小许多，但与化学火箭时代已不可同日而语，如果不考虑天梯的建造费用，现在进入太空的成本已经大大低于民航飞机了。”(《三体II》第216页)

1979年科幻大师阿瑟-克拉克出版了《天堂的喷泉》一书。该书讲述了人类靠一种强度极大但质量极轻的碳纤维材料把地球和同步轨道卫星连接起来的故事。书中的主人公为了这一工程耗尽心血，终于殉职于太空电梯上。在小说的结尾，人类已将所有的人造卫星都横向相连并将它们与地球纵向连接，这个巨大的人造环带好似给地球围上一条项链。

这听起来更像天方夜谭而非务实的太空计划，以至于当美国物理学家皮尔森于1970年提出太空电梯的概念时，人们对他的建议就是“改行写科幻小说去吧”。

但工程师经过论证发现，以现有技术为基础，太空电梯的梦想是能够实现的。太空电梯的本质是建设一座永久性的“缆绳”式建筑，将地面与地球轨道上的某一点连接起来，并允许运输工具沿着这条缆绳行驶。

听起来这和我们常见的电梯确实大同小异，问题在于我们要连接哪两个点和怎样连接。

“天梯三号是唯一一部基点在海上的太空电梯，它的基点是在太平洋赤道上的一座人工浮岛，浮岛可以借助自身的核动力在海上航行，因此可以报据需要沿着赤道改变太空电梯的位置。”(《三体II》第217页)

同步轨道卫星相对它正下方的地面静止不动。这种卫星都定点于赤道上空三万六千公里处。要保证太空电梯相对于地面不发生漂移，只能一端建在赤道上，另一端连接同步轨道卫星。

太空电梯实现的难度仍然很大

在真实世界中，要实现太空电梯的梦想，要比神话和小说中困难得多。建造太空电梯最大的挑战在于找到制造电梯缆绳的材料。

缆绳应该是一根高强度的长索。普通的钢丝如果从9公里的高空中垂下来，它就会被自己的重量拉断。好在碳纳米管的发明使人们看到了希望。

碳纳米管非常细小，但强度可与金刚石媲美，而且柔韧性很好，可制成纤维。理论上说，宽1米、像纸一样薄的纳米管缆带就可以支撑13吨的重量。

《三体》中“只有六十厘米宽”的天梯导轨是用别名“飞刃”的纳米材料制成的。主持“飞刃”研制的科学家汪淼也因此成为整部小说中最先出场的关键科研人物，汪淼的生活和工作均被三体人干扰。这是因为三体人担心地球人从这种材料入手，造出太空电梯，进而发展出太空防御系统，影响三体人的殖民地球计划。

大刘进一步描述道：

天梯三号的终点站是“车轮形状的(黄河)空间站……位于电梯终点上方三百公里处，是作为电梯的平衡配重物建造的。”(《三体II》第226页)

太空电梯为何要有平衡配重物呢?这是因为细长物体承受拉力的本领比承受压力的本领大得多。为避免太空电梯的缆绳被自身重量压垮，工程师想出了一个主意，从同步轨道卫星上垂下三万六千公里长的缆绳，直达地面，在缆绳的另一头还有“平衡锤”。

平衡锤以极大的速度绕地球运转，因为离心作用的缘故，它能给缆绳施加很大的拉力，确保缆绳绷紧。

与大多数公共交通一样，目前航天工程师设计的太空电梯舱也是双向对开的，并在适当的高度安装“站台”以方便乘客和货物上下。这些站台实际是固定在太空电梯上的空间站，它们的重量应该从最初设计时就考虑在内，甚至电梯舱的载重和行驶位置也需要精确计算，以保证缆绳的平稳。

如何防范攻击与破坏?

在《三体》故事里，每次地球遭遇袭击时，太空电梯都成为逃难者争抢的交通工具，如果得不到座位，暴民就会攻击太空电梯：

“随着水滴(三体人发出的探测器)向地球的逼近……所有太空电梯的基点和航天发射基地周围都有大量的人群在聚集，扬言要关闭所有进入太空的通道。……当发现(太空电梯)运载舱上升或航天器起飞时，这些人会同时拔抢照射，激光的直线弹道使瞄准很精确，大部分的光束都会聚集在目标上并将其摧毁。”(《三体2》第428页)

当“黑暗森林”打击警报响起时：“在太空电梯的基站也发生了武装冲突……部分国家试图派军队控制赤道海洋上的国际基站。”(《三体3》329页)

如果当代的恐怖分子能将民用航空器作为攻击对象，那么未来的恐怖分子完全可能把太空电梯作为袭击目标。

将太空电梯置于偏远位置将是降低风险的最佳方法。比如，太空电梯的锚定点可以位于赤道附近的太平洋海域的移动平台上，它与任何空中航线或船舶航路的距离至少为650公里。无论恐怖分子从哪里发动袭击，太空电梯的防卫者都会有足够的预警时间。此外，太空电梯的结构决定了从地面发起的恐怖袭击都只能威胁到电梯的一小部分，即15公里高度以下的部分。

太空电梯耗资巨大、战略意义重要，拥有该设施的国家都将部署警卫部队把守这个太空港口，就像当今把守重要桥梁、隧道一样。

与空间站或宇宙飞船一样，太空电梯也应需具备避开太空垃圾的能力。太空电梯的缆绳将锚定在赤道附近海域的移动平台上。这个移动平台就像放大版的海上石油钻井平台。移动平台上装有推进器，可以来回变换位置，从而挪动太空电梯，避开来袭的太空碎片或陨石。

太空电梯基座想象图

天体之间，以电梯相连

据太空电梯研究者布拉德利·爱德华兹估算，太空电梯建造成本不会低于100亿美元，维护费用也不是小数目。

《三体3》的女主人公程心与男主人公云天明会面时“乘坐的是人类建成的第一部太空电梯，这个终端站建于危机纪元15年”，也就是说人类第一部太空电梯落成于21世纪二三十年代。当时，为支持太空电梯的建设，各国都实行战时经济，生活必需品实行配给。以人类目前的技术发展水平和资源调动能力而言，这个时间估算是可信的。

虽然太空电梯的建造与维护耗资巨大，但投入运行后，它与传统航天器相比在运输成本有巨大优势。尽管电梯舱上升速度比火箭慢，但它却能将每千克货物的发射成本从现在的22000～44000美元降到900美元左右。最先拥有太空电梯的国家将率先获取太空资源，享受“电梯红利”。

几百年以后，当太空电梯这道通往宇宙的桥梁造好之后，地球上的居民大规模向外层空间移民，在地球的外围会建立数以万计的大大小小的空间城。届时，在空间城之间又会建立起宇宙索道，就像把城市连接起来的公路和铁路一样。就像大刘描述的那样——

“在地球的夜空中，移动的星星目益增多，那是人类在太空轨道上的大型建筑物。……随着太空电梯的建成，人类开始了对太阳系行星的大规模探索。”(《三体II》第217页，257页)

有科学家认为，随着太空电梯的广泛建设，在遥远的未来，从火星或金星上看去，地球周围将布满蛛丝般的网络，赤道上空耀眼的光环是连成一体的空间站。这个超级环形空间站由多台太空电梯与地球相连，仿佛自行车的辐条。与地球类似，太阳系中其它有人居住的星球——月球、火星、土卫六——也可以在自己的赤道上安装太空电梯，这将是太空居民点之间往来的桥梁。

3、阶梯计划：从引力跳板到核弹跳板

所谓阶梯计划，是危机时代人类向来袭的三体舰队发射探测飞船的尝试。根据该计划，预先把大量核弹用传统的推进方式发射至太空，核弹逐个分布在飞船的最初的航线上。飞船在经过每一颗核弹的一瞬间，核弹在飞船辐射帆后面爆炸，产生推进力，因为核弹的每一次爆炸都使飞船的速度增加一级，很像在登一道阶梯，所以叫做阶梯计划。

这个计划是由《三体III》女主人公程心提出的，当时这个中国女孩正效力于行星防御理事会战略情报局(PIA)。

很久以后，程心在自传《时间之外的往事》中这样评价自己的计划：“火龙出水和连发弩都是把落后的技术以先进的方式组合起来，试图产生貌似超越时代的能力。……阶梯计划也难以把人类带入宇航新时代，它只是用当时的技术所进行的孤注一掷的努力。”

我们可以把这段文字看做程心的自谦，但这个巧妙的低技术组合的确产生了奇伟的效果，造就了人类有史以来最高速的飞行器。从这个意义上讲，大刘应为这个技术构思感到自豪。