@ 2015.08.11 , 16:00
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太空殖民地形制考据:伯纳尔球体、欧尼尔圆筒和斯坦福圆环

在七十年代由于担忧人口过多,NASA开始严肃考虑建造太空殖民地。在那以后的年头里,他们成功地把所有人都弄到曼哈顿我住的街区里,从而解决了地球的人口问题,并导致房东不断给我涨该死的租金。不过在最终找到这一解决方案以前,他们的确产生了各种各样的太空殖民地设计渲染图。

他们面对的第一个问题是:太空殖民地应该采取什么形状?总体形制应该是怎么样的?我说的不是建造在小行星或者月球一侧的殖民地,因为这种答案我们已经知道了:盖一座城市,上面罩个穹顶就好,很-无-趣。

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不,我说的是不固定在表面上、可以四处挪动的殖民地。所以第一个要解决的问题就是重力。因为如果太空殖民者们永远只是漂浮着,他们运动鞋减少的磨损会让厂家破产的,而我们又是需要一些经济形式的。

伯纳尔球体

所以为了要产生重力,一种叫做伯纳尔球体的设计被提出。其实这是一种旧想法了,最早在1929年由科幻作家约翰·伯纳尔所提出。你可能知道伯纳尔的名字,因为他不但还在世,最近还因为饰演《行尸走肉》中的人气角色Shane而名声大振。

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巨大的伯纳尔球——各种设计直径从2英里到10英里不等——将是中空充满空气的,加上30,000名想必在地球上没有未偿还债务的居民。球体的“两极”会连接巨大的马达,使之象烤一块叉烧一样旋转。

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这会在球体的内部“赤道”上产生模拟重力的离心力,人们就能在那里建造房屋,进行野餐和磨损运动鞋。

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赤道地区的两侧会有巨大的窗户,放置在球体外部的镜子反射阳光进来。在下面的照片里我们穿过一排窗口能看到对侧的环形。

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球体的极地区域应该无人居住,那里会让人非常头晕。在渲染图里我们看到极地区被森林覆盖,但我们也可以把那里用作丢弃废旧空调之类的地方。

那么,为什么是球形,以致浪费这么多空间?提出这个形状是因为它最适合容纳加压空气,这种折衷方案看上去蠢蠢的;我们就不能买质量好点的O形密封圈,然后想造什么形状就造什么形状?

其他人同意我的观点,也许不是O形密封圈方面,但这种形状果断不是最优的。下面我们看看一些更好的方案。

欧尼尔圆筒

对于自由旋转的太空殖民地来说,上面的伯纳尔球体解决了重力的问题,但它并没有解决看上去弱爆了的问题。作为变得更牛逼的努力,美国物理学家杰瑞德·K·欧尼尔在1976年提出了具有两个巨大圆筒的替代设计。

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作为美国人,我假定外圈上那些小舱室是监狱牢房;不过我读到它们实际上应该是农场。

这些欧尼尔圆筒每个将直径2英里,长20英里。它们两个并排但不直接接触,在两端由连杆相连。每个圆筒旋转在内部通过离心力产生重力,两个圆筒旋转方向相反,其想法是这会使整体结构保持平衡,如果只是一个圆筒旋转的话会导致偏离位置。

这是弄成两个圆筒的官方理由,但我们中的智者可以看出真正的好处。有了两个圆筒就能给住在两根管子里的数千居民互相鄙视的完美理由。1筒的人的可以把2筒的人看作是一伙没受过教育的非主流,给2筒起外号叫做撸管之类的。2筒的人则可以把1筒的人当成一伙伪知识分子大蠢驴(但是因为他们是一伙没受过教育的非主流,他们没法给1筒想个机智的外号)。

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这个设计其他高明之处是它涉及巨大的圆筒。NASA里主要是男人,而且那是在七十年代,我们男人都喜欢拨款建造巨大的柱状物。我们真的很喜欢造潜艇、飞艇和12寸赛百味。没人说得清这是为什么。

但欧尼尔设计的古怪之处是阳光如何照入内部。每个圆筒沿着长度分为六条;按照交替排列,其中三条是可居住的陆地,另外三条是让阳光进入的窗口。我说它古怪是因为如果这些圆筒在不停旋转,那太阳一圈圈抽过时,不就会产生一种潜在的刺激性频闪照明效果?如果每个圆筒都是20英里长的夜总会,我得说这么干真有效率,但大多数渲染图看上去都鸟语花香的。

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欧尼尔圆筒的另一种替代设计取消了纵向的条带,把所有内表面都覆盖陆地,每个圆筒一端是一个巨大窗口。在这种设计里你把它对准太阳,使得太阳看上去静止地停留在窗口中。但是如果你住在圆筒背阳的一头就糟糕了;你会总觉得站在一条隧道里有一列火车朝你冲过来。

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顺便说,这些圆筒如此之大,人们相信其内部会形成云和自身的天气系统。

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所以,除非某人能向我解释如何摆脱夜总会灯光效果,虽然我被这些又长又直的形状莫名吸引,我不得不摈弃这种设计。

下面让我们看一下以上两种概念的某种混合形式。

斯坦福圆环

伯纳尔球体是圆的,欧尼尔圆筒是长条的,而同期提出的这第三种概念,是两者的某种混合,它把一个圆筒掰弯形成圆圈。

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它被称为斯坦福圆环,得名于研究出它的大学。圆环形状——我猜“圆环”应该是希腊文或者拉丁文里甜甜圈或面包圈的意思——通过绕枢纽旋转提供重力,在建议的1.8公里直径尺度上,它理论上能支持约1万人生活其中。阳光通过枢纽上的镜子反射进生活区,提供“当头”日照的效果。

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我发现置身于一个巨大面包圈里的视觉效果要比伯纳尔球体或欧尼尔圆筒更有趣;它有点像在一个山谷里,山谷两头渐渐坡起消失在视野外。与欧尼尔圆筒相比一个额外的好处是,后者感觉空间是有限的;在里面到处跑动,你最终会碰到尽头,而面包圈则提供无穷的卷绕,能让追车场面更加娱乐。

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这是飞越斯坦福圆环应该能看到的场景:

设计大神席德·米德在为2013年科幻电影《极乐空间》里的太空居住地创作的概念设计里给出了一个斯坦福圆环的渲染图。

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然而,太空极客们很快指出这货在技术上不是一个斯坦福圆环,因为根据电影中的描绘,该居住地并没有“屋顶”;圆环缺少内侧,就这样敞开着允许飞船飞进飞出。

这则使其成为一个比绍普环

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一个比绍普环本质上是一个巨巨巨大的斯坦福圆环,理论上,如果它由纳米碳管而不是钢铁建造,就能建造得大得多:约2,000公里(差不多从纽约开车去迈阿密的距离)直径,500公里宽度,提供的可供生活面积差不多有印度那么大。两侧边墙高耸约200公里,使得这个设计实际上避免 了“屋顶”的需要,可以直接敞开;科学理论家们说产生的重力就足够保持大气,而且开放空间设计可以让钛战机之类飞进飞出。

科幻作家伊恩·M·班克斯采用了比绍普环的概念。在他的Culture小说系列里,班克斯设想了叫做Orbital(轨道)的事物:巨巨巨大的比绍普环,直径3百万公里,宽达6,000公里,包含的陆地面积比大洲还大。

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在班克斯的虚构世界里,这些Orbital倾斜朝向附近的恒星,因此它们的自转不但提供重力,还提供正确的日/夜周期。其理论上的表面积多达120个地球面积。

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虽然在我们有生之年像Orbital这样的东西果断是造不起来了,但班克斯的虚构创作的确启发了一件我们很多人可能都拥有的现实生活物品:一个叫做Halo的小游戏。该游戏及其续篇从2001年至今销售了34亿美元。想来很奇怪:一位科幻作家的想象力无意中助推了Xbox主机的成功。

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本文译自 Core77&2&3,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 48+1

  1. 神响
    @2 years ago
    2894833

    最实在的是地下穹顶大空间

  2. 牡丹
    @2 years ago
    2894837

    终于知道星际穿越里最后新世界的设计出处了

    [19] XX [2] 回复 [0]
  3. 2894840

    最喜欢那个畅想太空的时代

    [13] XX [1] 回复 [0]
  4. antiname
    @2 years ago
    2894848

    来个小陨石就完蛋了啊。。。。

    [10] XX [1] 回复 [0]
  5. 2894849

    为什么感觉就是高达系列的动画啊。。。。

  6. 2894860

    因为他不但还在世………………………

  7. 2894861

    真正的HALO是彻底围绕太阳的,完全利用整个太阳的能量。上面有一些巨大的太阳能板遮挡造成正确的日夜。

    [10] XX [0] 回复 [0]
  8. 2894871

    halo,小游戏………(・ω・)ノ

    [46] XX [0] 回复 [0]
  9. Snokye
    @2 years ago
    2894877

    在中间修一条高速公路,不设限速……

  10. 2894887

    這些概念20多年前就有了,記得當時還說2010年要升空哩~~(暴露年齡系列)

  11. Leon007
    @2 years ago
    2894893

    @fff: 高达当初在设计殖民地的时候就是参考这些图片的

  12. 2014oo
    @2 years ago
    2894902

    现在连建个几百米的结构都很困难,更别说几公里几百个公里了,我儿子的儿子的儿子的儿子不知道能不能看到…

  13. 2894914

    真忍不住吐槽,来颗陨石的话,就得完蛋了

  14. 王子衡
    @2 years ago
    2894919

    都是基佬的杰作

  15. 金三胖胖三斤
    @2 years ago
    2894926

    地球人太落后了,咱们早已玩腻了
    82f5ZheXZCDIjfJ8mFdgt74hmuTE0BprJa5gixOw84JUzdZR1niZLLe8W+n7nSzBY0/IGAh025+hJX/7BC0gV/h3mYxpFCaDEcJTys0BxzMC72f+Kbtx9g

    [24] XX [2] 回复 [0]
  16. 旺旺L
    @2 years ago
    2894932

    shane是不是配图和人不一致啊~1929年提出的还这么年轻?

  17. 喔哈哈
    @2 years ago
    2894938

    那个肖恩是1976年被生出来的,没觉得八十岁这么年轻很奇怪吗

  18. 绝念梦依然
    @2 years ago
    2894943

    男人为什么喜欢巨大的柱状物,毛,老子明明喜欢巨大的半球!煎蛋真是无时无刻不在掰弯我们

    [22] XX [0] 回复 [0]
  19. mrs-karate
    @2 years ago
    2894945

    感觉没有大气层护体简直不堪一击

  20. 2894950

    预算比找个新地球还贵吧

  21. 非典猫
    @2 years ago
    2894951

    @NEO: 你确定你说的不是戴森球?

  22. ekansrm
    @2 years ago
    2894955

    在太空建起太阳能/重核聚变冶炼工厂, 或者在木星附近建氢核聚变工厂, 捕获小行星进行冶炼, 金属留作他用, 矿渣就用来起这些玩意好了

  23. lackar
    @2 years ago
    2894956

    我们男人都喜欢拨款建造巨大的柱状物。我们真的很喜欢造潜艇、飞艇和12寸赛百味。没人说得清这是为什么。
    23333

  24. 勿使惹尘埃
    @2 years ago
    2894957

    所以说《halo》不能翻译成光晕。

  25. sdgudum
    @2 years ago
    2894962

    =。=战斗吧骚年,前面就是高达

  26. 百毒卫士
    @2 years ago
    2894965

    @旺旺L: 肯定错了,这个好像叫琼·伯纳尔

  27. 2894968

    @旺旺L: 是名字听上去像的梗

  28. 阿布
    @2 years ago
    2895002

    围绕一个质量适当的黑洞,靠电磁发电就可以了

  29. 称呼太长
    @2 years ago
    2895016

    然而代森球被华丽的忽略了

  30. dacapoday
    @2 years ago
    2895020

    Gundam里有太多的太空殖民地的设计,除了上文的比绍耳环外,还有吉翁公国的全封闭圆筒,链接着资源小行星边采边建的殖民地。

  31. 1337me
    @2 years ago
    2895021

    John Desmond Bernal FRS(10 May 1901 – 15 September 1971) was one of the United Kingdom’s best-known and most controversial scientists.
    这位是科学家,不是科幻作家,早在1971年就死了,不可能演什么行尸走肉

  32. 啊?
    @2 years ago
    2895026

    如果用旋转模拟重力,空气跟不上那么快的转速,会不会形成持久大风

  33. 2895041

    在小星球下钻出大洞就可以生活了,有重力,有资源,坚固,不怕小行星

  34. 2895068

    这个环也许就是目前宇宙所在的时间维度构成的。。。

  35. 王子衡
    @2 years ago
    2895141

    不像地球那样有地磁抵挡太阳辐射,怎么解决面向恒星一面所承受的辐射呢

  36. 2895153

    文章里有不少梗,比如那个同姓的作家和演员,潜艇和潜艇赛百味,还有O型环。

  37. ayi100
    @2 years ago
    2895226

    与拉玛相会。

  38. 2895335

    @James: 密封圈应该是在吐槽STS-51L的事情

  39. 八咫猪
    @2 years ago
    2895469

    这才是实实在在的轻geek感

  40. Savior
    @2 years ago
    2895587

    NASA里主要是男人,而且那是在七十年代,我们男人都喜欢拨款建造巨大的柱状物。我们真的很喜欢造潜艇、飞艇和12寸赛百味。没人说得清这是为什么。

  41. 2895647

    太大了,风险高啊。

  42. 2895678

    holo是小游戏?

  43. roctsui
    @2 years ago
    2895720

    当年买xbox还真是因为光晕。。不过从2015年开始已经索尼大法好了。

  44. 2896044

    越看到后来越觉得,先是一部分人移民到小型人工环状带,到后来动力进化变成大型,最后再向两侧延伸扩张(变宽),就成一个球体了,这不就是人工行星了……这么想来好带感啊~

  45. 2897855

    环形世界

  46. 那路或多
    @2 years ago
    2898320

    超时空要塞里的殖民舰队的主舰也不错。

    还有质量效应的神堡,都是开合式。

  47. 2898658

    最后那个开放空间的环不行。
    这结构的设计思路目测是顺推更上述结构的原理,觉得只要放大尺寸,就能和对付固体液体一样,把气体也保持在环槽,不必加盖封闭。这要砸锅的。
    固体液体之所以能用开放环槽保留,缘于局部物质保持相吸,组成内秉抗散的整体,任意局部受到的外力,会有效传递到其余各部,造成同向化驱动,强制保持在同一运动方向,所以起初压向槽底的会继续被旋转离心力压向槽底,不能散逃。
    而气体的“整体”之中各局部物质,是热运动碰撞斥力大于吸力的自动趋于无限远离的独立体,如果基于整体质量的万有引力不足抵消远离趋势,必须用外加引力抵消(例如地球整体引力拉住大气),或用外加物质反弹限位层实现拦截(例如气密性容器壁把空气包在太空站)。如果只靠环槽旋转,槽底一薄层气体与槽体物质接触,其中一部分靠吸力大于碰撞斥力而被粘住保留(固体普遍有的表面吸附气膜,薄到分子水平),其余部分被弹飞向非槽底方向,撞击更远处气体,力学计算极简单,会使其被推向相同的方向,逐级传力,最终把气体“整体”的最外部分驱散到槽外。
    而环体物质因为空间分布的对称,对环内各局部的万有引力联合影响,类似物质分布高度对称的天体(例如并不接触的恒星组成的球状星团),吸力逆向消弱,尤其在整体对称中心几乎完全相消,散到此的气体惯性运动,必有随机连环再碰撞,将其中一些沿着环槽转轴推飞,穿过环体的引力自动归零线逃逸,通俗描述就是槽中气体膨胀到环心,相撞转向膨胀喷到太空,过程不断自动维持,直到只有被固体表面强吸附的极少量保留。
    …..玩完了。

  48. 2906336

    “来吧,抱着我走。”

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