但在我看來，這樣的太空旅遊並沒有真正離開地球，我們還在地球引力範圍內活動。
這壹次，我要把這個話題往前推。我很想和妳談談:在可預見的未來，人類有沒有可能真的離開地球，去月球或者火星度假？或者更進壹步，普通人可以以月球或空間站為基地，去木星、土星甚至冥王星兜風嗎？在航天領域，有沒有什麽關鍵的技術奇點？壹旦突破了這個奇點，我們的航天事業會有大爆發嗎？
航天事業最難的是脫離地球引力。我們可以把地球想象成壹口重力井，我們人類就是井底之蛙。只要我們能跳出這口井，外面就會有壹個馬平川，浩瀚的宇宙就會翺翔。為什麽從這口井裏跳出來的是馬平川？因為在太空中航行其實是非常節能的，因為真空中幾乎沒有阻力，飛船只需要在加速、減速和變軌時消耗燃料，這和克服地球引力所需的燃料相比不算什麽。
人類掌握的跳出引力井的唯壹技術是火箭技術，但火箭最大的問題是發射成本太高。壹個最大的原因是，過去火箭是壹次性耗材，造壹枚火箭要幾千萬到幾億美元。比如火箭發射，就像土豪買了壹架波音737，壹次扔了，下次再買壹架。世界上能有幾個這樣的土豪？
因此，為了降低火箭發射的成本，無論是埃隆馬斯克的太空探索公司、維珍銀河公司還是藍色起源公司，他們所做的都是試圖讓火箭被回收再利用。
2020年初，太空探索技術公司的車輛集成主管Christopher Couluris在壹次簡報會上表示，可回收獵鷹9號的單次發射成本最終可能會降低到2800萬美元[1]。這是什麽概念？可回收的獵鷹9號最大載重約30噸，每噸93萬美元，幾乎是目前普通空運價格的200倍。妳可能壹下子體會不到200倍的差別。比如妳月薪1000和妳老板月薪200萬的區別。
另壹家太空旅行公司維珍銀河甚至已經開始出售太空旅行的門票。根據SEC文件[2]，維珍銀河打算在2023年前每32小時將壹批遊客送入太空。雖然這種所謂的“太空旅遊”實際上就像坐在壹個貝殼裏，只是在地表以上100公裏的高度看壹眼，然後迅速落回地表，但票價卻高達25萬美元/張。維珍銀河的創始人理查德·布蘭森(Richard branson)是最樂觀的估計:10年後，票價可以降到5萬美元以內，另壹家公布太空旅遊票價的名為藍色起源(Blue Origin)的公司也差不多。
聽到這裏，我估計很多人會拿航天和傳統交通運輸行業做比較，可能會想:大規模生產必然帶來成本的快速下降。只要太空旅遊這個市場能夠不斷培育，票價應該會越來越低，直到所有普通人都買得起，就像當年的汽車、輪船、民航飛機，不都是經歷了壹個從富人到普通人的過程嗎？
問題是——航天發射真的沒有妳想的那麽簡單。為了給大家講清楚它的難處，今天我就給大家講幾個高檔貨。
有壹個著名的火箭方程，是由被譽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·齊奧爾科夫斯基提出的。這個火箭方程式就像是孫悟空給唐僧畫的安全圈。無論技術如何改進，人類火箭都跳不出它所圈定的性價比。
在解釋這個等式之前，我們先來看看火箭和汽車、輪船、飛機的本質區別。
首先，只有火箭在運動過程中需要不斷抵抗重力，其他交通工具在運動過程中基本不需要抵抗重力。用更通俗的說法:火箭相對地面垂直向上運動，其他交通工具基本保持水平運動。不要小看這種運動方向不同帶來的本質區別。讓我給妳解釋壹下:
汽車在行駛過程中要克服的阻力主要是來自地面的摩擦力。摩擦力主要取決於輪胎與地面的滾動摩擦系數，與汽車本身重量關系不大。比如在普通的城市道路上，滾動摩擦系數約為0.02，也就是說汽車重量增加壹倍，摩擦力只會增加0.02倍左右。所以從性價比來說，卡車載重量越大，單位重量的能耗越低。
船舶在運動過程中要克服的阻力主要來自於水對船舶的阻力。水阻力主要取決於船速和船與水的接觸面積，與船本身質量關系不大。計算公式比較復雜，但結論和汽車差不多。船舶載重量越大，單位重量的能耗越低。所以遠洋船越來越大。如果不是世界幾大海峽的船閘限制，我們會把運輸船造得更大。
飛機在運動過程中要克服的阻力主要來自空氣阻力，這與船舶在水中遇到的阻力類似，結論也類似:飛機載客量越大，單位重量的能耗越低。
所以車、船、飛機等交通工具的性價比可以用壹句話來概括:交通工具越大，性價比越高。
但是，到了火箭，這個規律就被打破了。因為火箭需要克服重力向上運動，所以火箭遇到的最大阻力就是重力，而重力的大小幾乎只和壹個東西有關，就是火箭的質量。火箭質量越大，需要克服的阻力就越大。但矛盾的是，為火箭提供動力的燃料本身質量巨大。燃料加得越多，需要消耗的燃料就越多，才能把它送到天上去。這有點像古代送糧草的後勤隊。人和動物越多，他們要吃的食物和草就越多。這樣壹來，計算火箭的燃料載荷和有效載荷之間的關系就會變得非常復雜。
第壹個認識到並把這種復雜關系說清楚的人是齊奧爾科夫斯基，他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的困境，首先要深刻理解火箭方程。
我想請大家不要害怕，這個方程不難理解。接下來的幾分鐘，雖然有些高能，但只要妳集中精神，就壹定能看懂。壹旦理解了，妳會在理解原理中獲得極大的樂趣。
這個方程近似描述了火箭起飛時初始總質量m0與火箭燃盡燃料後剩余純質量m1之間的關系。它們之間的關系是線性函數，如果寫成方程，就是:
m1 = am0
如果我們把m1換成大家熟悉的Y，把m0換成大家熟悉的X，那麽就會寫成這樣:
y = ax
這個線性函數在直角坐標系下是什麽圖像？很簡單。它只是壹條穿過原點的直線。如果系數a=1，那麽它是壹條斜率為45度的直線。
這條直線的斜率取決於系數a的值。
如果a1，斜率大於45度。
這個45度的斜坡就像壹個分水嶺。如果斜率正好是45度，就意味著:如果X加倍，那麽Y也加倍，兩者同比例增減。但是，如果斜率大於45度，也就是A大於1，那麽X加倍，Y加倍以上。另壹方面，如果斜率小於45度，則x加倍，y小於加倍。
我們之前設定過，Y相當於火箭燃料燃燒後剩下的純質量，X相當於火箭初始總質量。也就是說，這個斜率A的值是大於1還是小於1，決定了壹個關鍵問題，就是火箭的初始質量增加壹倍，火箭燃料燃燒後剩余的純質量能否增加壹倍以上或者減少壹倍以下。通俗地說，火箭越大越劃算，還是不劃算，取決於致命系數A的值是小於1還是大於1。
火箭之父齊奧爾科夫斯基最大的貢獻就是闡明了這個系數a的計算方法，他發現a的值基本上取決於兩個關鍵參數:
那麽，系數A和這兩個參數有什麽數學關系呢？
因為我們的目的是研究這個A的近似值，是大於1還是小於1，所以我來解釋計算這個公式，分析這個公式的取值範圍。
要計算這個a的取值範圍，我們需要把它分成以下三步:
好了，計算結束了。通過這三個步驟，我們可以計算出系數A的值..因為前面的數值已經簡化了，a的實際值在0.05左右。
因此，火箭起飛時的初始總質量m0與火箭加速後的純質量m1之間的關系可近似寫成:
m1 = 0.05m0
這是什麽概念？我給妳解釋壹下，大致意思是:火箭的燃料重量增加壹倍，火箭的有效載荷只能增加0.05倍；為了使有效載荷增加壹倍，火箭需要增加20倍的燃料。
這個結論讓妳吃驚嗎？這是人類火箭基航天技術目前面臨的最大尷尬和困境。我們要付出20倍的努力才能得到1倍的回報。要知道，燃油不可能增加20倍。更多的燃料意味著填充燃料的腔體要做得更大更重，對腔體材料、工程制造技術、控制技術的要求等比例增加，就會導致火箭越來越重，需要更多的燃料，有點像惡性循環。
在人類歷史上，迄今運載能力最強的火箭是土星五號，它把阿波羅送上了月球。它的自重達到了驚人的3000噸，但最多只能把140噸的東西送到地球近地軌道。這是航天發射如此昂貴的根本原因，因為火箭燃料的有效利用率太低。
至此，我們可以得出壹個結論:只要我們的航天發射還在使用火箭技術，可惜在可預見的未來，恐怕普通人都不可能實現太空旅遊的夢想。太空旅遊永遠只能是富人的娛樂。同樣的道理，由於成本無法降低，大規模建造空間站也是壹廂情願，把地面上的東西送上太空也太貴了。
要想真正降低成本，必須另辟蹊徑，擺脫齊奧爾科夫斯基火箭方程對人類航天事業的禁錮。擺脫火箭方程就是把能量和載荷分開——燃料(或者提供能量的物質)不需要隨著載荷上升。
目前以人類已經掌握的科學理論，只有壹條路。
電梯和火箭的本質區別是能量提供者和負載完全分離，電梯可以靠電力上升，沒有任何質量，完全不受火箭方程支配，能耗和摩天大樓電梯壹樣。
太空電梯想法的最早提出者仍然是我們反復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。
用最簡單的話來說，太空電梯的原理就是在地球同步軌道衛星上掛壹根長繩，直到它到達地面。因為地球同步軌道衛星是和地球自轉同步的，所以理論上這根繩子接觸地面的地方可以固定在地球赤道的某個地方。如果電梯能用這根繩子吊起來，它就能慢慢升到太空。
當然，這肯定是過於簡單化了，實際情況比這還要復雜。地球同步軌道的高度在地球赤道上方36000公裏左右，所以壹根36000公裏長的繩子質量會相當大，所以繩子和同步衛星的共同質心在地球同步軌道高度以下，所以無法保證它們整體上與地球自轉同步。
要解決這個問題，我們需要把繩子加長到衛星頂端，然後連接壹個巨大的配重物體，讓所有連接物體的共同質心正好落在地球同步軌道上。如果妳在這裏還是不太明白，可以看看我附的原理圖，可以幫助妳快速了解太空電梯的原理和結構。
科學家們設想，可以從太空中捕獲壹顆近地小行星，在這種結構中充當配重，或者收集人類在太空中留下的各種廢棄衛星。總之，這裏不存在根本性的技術問題。即使妳壹直用火箭把東西送上去，那也是壹次性投資，不管多貴。如果在著名的論文檢索網站Science Direct上使用關鍵詞“太空電梯”，可以找到30多篇標題中帶有該關鍵詞的論文。太空電梯不僅是科幻小說的熱門話題，也是科學家們壹直在討論的嚴肅話題。
建造太空電梯的真正困難是這條超過40000公裏的電纜。我們應該用什麽材料制作這種電纜？
我們對這種電纜的材料要求是，本身質量必須非常非常輕，抗拉強度必須非常非常高。
在材料科學中，材料強度的單位是“尤裏”，即單位面積上的極限力與材料密度的比值。常用於制作眼鏡腿的鈦合金的強度約為30萬尤裏，美國杜邦公司發明的超強材料凱夫拉爾的強度約為250萬尤裏。要做太空電梯的纜繩，根據計算，其強度應該在3000萬到8000萬尤裏之間。
什麽材料能達到這麽高的強度？
事實上，這種物質已經被人類發現。我們在之前關於新材料的節目中提到過，就是把石墨烯卷成圓柱體的形狀，也就是碳納米管。微觀上是碳原子以吸管狀排列，直徑比頭發絲還小。但材料的強度會隨著碳原子厚度的增加而降低。為了獲得最高的強度，有必要制造由單層碳原子形成的碳納米管。如果工藝完善，理論上單層碳納米管的強度可以達到5000萬到6000萬尤裏的水平，足以用作太空電梯的電纜。
目前市面上也有叫碳納米管的材料，但那些其實不能叫真正的碳納米管，因為碳原子不夠細。
2013中國清華大學費薇教授成功制造出當時世界上最長的碳納米管，長度約0.55米。這壹成果在線發表在國際著名的材料科學雜誌《美國化學納米》上[3]。6年後的2019年，費薇教授的團隊將世界紀錄提高了10厘米，並制造出了長度為0.65米的碳納米管，論文發表在著名的《自然》雜誌下的《自然通訊》[4]2019+08。用了六年時間增加了10 cm，可見制作這種材料的難度。
我們的目標是制造出超過4萬公裏的長度。顯然，還有巨大的技術差距需要彌合，但這已經不是科學原理上的瓶頸了。人類需要的只是時間和壹點點好運。不知道人類什麽時候才能突破這個技術奇點。
在未來的某壹天，壹個巨大的漂浮平臺將建在印度尼西亞林加穆內群島以東的海面上，這就是太空電梯1的地面基站，由全世界100多個國家共同建造。這個平臺配備了幾個航母級的發動機，可以推動平臺沿著赤道線移動，不僅可以避開惡劣天氣，還可以調整纜繩的位置，避免可能的碰撞風險。
從地面基站到太空，有兩條平行的軌道，升降電梯各走各的路。每30分鐘就會有壹部載重10噸的電梯開始上升，返回地面。遠遠望去，仿佛天地由兩條閃亮的項鏈相連。
運送到地球同步軌道的每噸貨物成本已經下降到5萬美元以下，各種物資和太空遊客源源不斷地被送上地球同步軌道。在太空中，各種工廠開始建造。在失重的太空中組裝大型設備甚至比在地球上更容易，越來越多不同功能和形式的太空觀光設施被建造起來。
同時，飛船將直接在太空組裝，地球太空港的建設也將啟動。以地球太空港為基礎，人類將逐步擴大我們在太空的活動領域。
月球港和火星港的建設藍圖也已經提上日程。這是人類歷史上第二次大航海時代，也必將是壹個充滿激情和鬥誌的太空時代。
此時，我的耳邊回響著齊奧爾科夫斯基的名言:
地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃裏。
太空旅行的想象就到此為止了。最後，我再宣布壹下今天的知識蛋。
提問:
如果太空電梯的纜繩斷了會怎麽樣？
如果妳對此感興趣，我會在“未來小課堂”繼續為妳講解，文字的精華會以漫畫的形式融入其中。請搜索微信官方賬號“浦發銀行”，回復關鍵詞“未來科技體驗館”進入彩蛋聽我說！
#太空旅行#