在地球同步轨道上建造一个围绕赤道的行星环可行吗?

这是一个大胆的想法!

我用了几乎一整天的时间来思考建造这个环是否可行,最后的结论是不怎么乐观。下面我来谈谈我的想法。本文比较长,你可能需要5分钟的时间读完,或者直接看段落标题和文末结论就好。

(一个想像中的太空环)

  • 地球同步轨道。

这是一个很棒的轨道,因为处在这个轨道上的人造卫星可以用极少能量就能很长时间保持自己与地面的相对位置,从而完成人类设定的使命。因此这个轨道又被称为地球静止轨道。

目前在地球同步轨道上有许多颗人造卫星,这些卫星通常承担气象、遥感、通信、中继通信以及电视转播服务。当然也有一些国家将大型侦查或间谍卫星放在这个轨道上,以24小时监视某一地区的导弹发射,为本国提供战略预警;或者监听某些国家的通讯信号。尽管地球同步轨道很长很开阔,但架不住卫星多啊,加上许多卫星还不是完全静止的,它们会前后左右上上下下地晃动(这个我们后面要重点谈),所以需要很大一片空间才能保证不撞上。目前国际空间机构只允许在地球同步轨道部署最多180颗卫星,如此一来地球同步轨道就显得比较拥挤,你要是没有见缝插针的功夫抢C位,就只能眼巴巴看着人家先到先得了。

地球同步轨道距离赤道地面的高度为35786km,地球赤道的平均半径为6378.2km,因此地球同步轨道与地心的距离为42164.2km。

按圆的周长公式:C=2πr,我们可以很容易算出地球同步轨道的周长为:264926.1km。

我们知道地球自转一周的时间是23时56分4秒,在周步轨道上运行的卫星要想保持与地面的相对静止,它也需要以相同的时间跑完26.5万公里的一圈,

计算的结果是卫星在轨道的飞行速度:v=3.075km∕s

这个速度相当于炮弹出膛速度的两倍。

  • 力学分析

假设在同步轨道上有一个10吨重的空间站,人在空间站里会有什么感觉?他会像是在地面一样吗?

我们知道物体在做离心运动时其惯性力的公式为:F'=mv2/r

将m=10000kg,v=3075m∕s,r=42164200m代入公式,得出F'=2242.57N

根据万有引力公式:F=GMm/r2

将G=6.67×10-11 N·m2/kg2,M=5.98×1024kg,m=10000kg,r=42164200m代入公式,

得出F=2243.57N

考虑到数据及计算误差,我们可以认为F'=F。同时空间站在同步轨道上做稳定的离心运动,因此我们可以认为空间站处于力平衡状态,如果你此时处在空间站里,理想状态下你应该也处于零重力(失重)状态。

(国际空间站零重力环境)

  • 发射地球同步轨道卫星难度很高

人造地球卫星轨道分许多种,有近地轨道卫星、椭圆轨道卫星、高轨卫星、倾斜轨道卫星、极地轨道卫星、赤道轨道卫星等等,地球同步轨道卫星属于高轨道的赤道轨道卫星。

目前各个国家发射最多的是近地椭圆轨道卫星,这种轨道的发射难度比较低,轨道高度大约300-2000km,卫星覆盖范围也比较广,是性价比最高的选择。

鉴于地球同步轨道独特的优势,航天大国纷纷将目光瞄准这里,向这里发射了许多卫星。由于静止轨道高度高、发射倾角与地球赤道面存在夹角、卫星轨道偏心率要为0、定位要准确,所以需要有更强大的火箭和更精确的测控技术,这不是谁都能搞得定的。

(目前各国能将大质量卫星送上地球同步轨道的火箭并不多)

目前航天强国大部分的卫星发射场都设在北半球,距赤道还有些距离,从这里发射的卫星通常是倾斜轨道,所以发射同步轨道卫星通常会三步走:

一、发射到300公里左右的近地轨道靠泊,调整轨道面角度,使之与地球赤道面重合;

二、逐渐加速,将卫星一步步送到36000公里高度,其椭圆转移轨道的远地点与静止轨道相切;

三、卫星主发动机在远地点点火,加速到3.075km∕s,同时卫星上调姿发动机点火,调整卫星角度与姿态,将其稳定在预定的位置。

(地球同步卫星定位“三步走”)

  • 耗资极其巨大的太空工程

目前在地球同步轨道运行的最大卫星是“Telstar 19 Vantage”通信卫星,它重7060公斤,由SpaceX猎鹰9号Block 5火箭在2018年7月22日发射。目前世界上能将这么重的卫星送到地球同步轨道的火箭并不多,同时它的发射费用也非常昂贵。

(目前最重的静止轨道卫星“Telstar 19 Vantage”)

我们的“天宫二号”飞船组合体全长10.4米,最大直径3.35米,重8.6吨。假设我们将许许多多“天宫二号”这样的空间站推送到地球同步轨道进行组装,拼接成一个巨大的环,需要发射多少个“天宫二号”呢?

264926100 ÷ 10.4=25473663

也就是说,我们需要发射2547万多艘“天宫二号”才能拼成这个环,它的总质量将超过2.19亿吨!

现在,你还觉得在地球同步轨道造一个“环”是件容易实现的事吗?

  • 其它重要的问题

一、摄动力

地球并不单独存在,地球围绕太阳运转,地球旁边有月球,地球与太阳之间有近日点与远日点,月球与地球之间也有近地点与远地点,所以这个设想中的“行星环”与地球之间力的关系并不是二体问题,而是涉及三体、四体甚至更复杂的力的关系。

因此“行星环”并不会非常平顺地在地球同步轨道上运转,太阳与月球都会对它产生摄动力。在摄动力的作用下,“行星环”的坐标、速度以及其它轨道要素都会产生变化。

(摄动力看起来很小,但它可以改变天体运行轨道,“行星环”的受力情况很复杂)

二、月球潮汐力

太阳对地球也有潮汐力,月球尽管小,但它距离地球更近,所以月球对地球的潮汐力也更大。

月球近地点距离为364397km,远地点距离为406731km。月球与地球相互的万有引力不仅引发地球海面与大气的潮起潮落,甚至会令彼此发生微小的变形。

假设在地球同步轨道上有一个10吨重的空间站,我们已知地球对它的万有引力为2243.57N,当月球接近时,它对空间站的引力是多少?

我们将月球轨道参数代入万有引力公式 F=GMm/r2,可以得出:

月球在远地点时对空间站的引力为 0.369N;

月球在远地点时对空间站的引力为 0.472N。

这个引力差对于在轨运行的单颗卫星来说看起来微不足道,但对一个由2547万个10吨空间站组成的行星环,其引力差将超过100万牛顿力,如此巨大的潮汐力对任何一个“环”都是毁灭性的。

(月球潮汐力引发同步轨道变形)

三、月球公转轨道倾角

我们知道,月球绕地球公转并不是在地球的赤道面上,它的公转轨道面(白道面)与地球赤道面的夹角在18.3°-28.6°之间不断变化,因此月球公转对处于地球赤道面运行的“环”有斜向的引力,这个斜向的引力会扭曲“行星环”,对环也将产生破坏性影响。

  • 总结:

在地球周围打造一个巨大的人造环,是许多科幻迷们的梦想,但现实告诉我们做事情既要尊重经济规律也需要遵循科学原则。从经济上计算,它耗资巨大并且没有急迫的需求;从科学角度看,这个环在强大的月球引力面前不堪一击,很快就会土崩瓦解。

因此,想一想就好了。