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用戶:JuneAugust/奧尼爾圓筒

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藝術家描繪的一對奧尼爾圓筒

奧尼爾圓筒（O'Neill cylinder[1]，也稱為O'Neill colony，奧尼爾殖民地）是美國物理學家傑瑞德·K·奧尼爾在他1976年出版的《高處領域：人類的太空殖民計劃（英語：The High Frontier: Human Colonies in Space）》[2][3]一書中提出的太空定居概念。[4]奧尼爾提議在21世紀將太空殖民化，使用從月球以及小行星提取的材料。[5]

奧尼爾圓筒由兩個反向旋轉的氣筒組成。這兩個圓柱會朝相反的方向旋轉，以抵消任何陀螺效應，否則它們很難保持對準太陽。每個都將是5英里(8.0公里)的直徑和20英里(32公里)長，通過一個軸承系統連接在每個末端杆。它們會旋轉以便通過內表面的離心力提供人工重力。[4]

室內視圖，顯示交替的土地和窗口條紋

背景

藝術家對奧尼爾圓筒內部的印象，顯示了內表面的曲率

在普林斯頓大學教授本科物理時，奧尼爾讓學生們設計外層空間的大型結構，意在表明生活在太空中是可取的。一些設計能夠提供足夠大的體量，適合人類居住。這個合作的結果啟發了奧尼爾圓柱體的構想，並最終在1974年9月的《今日物理（英語：Physics Today）》上公開發表。[6][7][8]

奧尼爾的計劃並非完全沒有先例。早在1903年，俄國航天先驅齊奧爾科夫斯基就曾在其著作《飛向宇宙的火箭》中描繪了依靠自轉來模擬重力的空間站構想[7]。1929年赫爾曼·波托奇尼克（英語：Herman Potočnik）也其著作《太空旅行的問題》（Das Problem der Befahrung des Weltraums - der Raketen-Motor）中提出了類似的構想[9]。1954年，德國科學家赫爾曼·奧伯特在其著作《人類在太空——火箭和太空旅行的新項目》（Menschen im Weltraum – Neue Projekte für Raketen- und Raumfahrt）中描述了利用巨大的可居住圓筒進行太空旅行的情況。在奧尼爾提出「他的」圓柱體構想之前不久，作家亞瑟·查理斯·克拉克在他的小說《與拉瑪相會》就描繪了這樣一個圓柱體（儘管是外星人建造的）[10]。

島

奧尼爾一共創作了三個參考設計，綽號為「島」[11]：

島一型是一個旋轉球體，周長1英里（1.6公里）（直徑1,681英尺（512米）），人們生活在赤道地區（見伯納爾球體（英語：Bernal sphere）[1][12]）[13]，高緯度地區則安裝有玻璃[11]。後來，美國宇航局和艾姆斯研究中心在史丹福大學開發了另一個版本的島一型——斯坦福環面，一個直徑1,600英尺（490米）的環形結構。[14]

島二型在設計上也是球形的，直徑為3.6千米，大致為一型的放大版。[13]

島三型的設計，更廣為人知的名字是奧尼爾圓筒，由兩個反向旋轉的圓柱體組成，每個圓柱體直徑5英里（8.0公里），能夠擴大到20英里（32公里）長[13][15][16]。每個圓柱體有六條與圓柱體長度相等的條紋，其中三條是透明的窗戶，三條是可居住的「陸地」表面[8]。此外，一個直徑為二十英里(32公里)的農業外圈以不同的速度旋轉，以支持農業生產。棲息地的工業製造區位於軸心部位，以便使一些製造過程的重力最小化[4][8]。

為了節省從地球上用火箭運送材料的巨大成本，這些棲息地將由月球利用磁性質量投射器發射到太空中的材料建造。[4][17]

設計

人工重力

美國宇航局的月球基地概念與質量驅動器(長結構，延伸到地平線，是建立奧尼爾圓筒的計劃的一部分)

圓柱體旋轉在其內表面提供人工重力。在描述描述的半徑範圍內，棲息地需要每小時旋轉28次才能模擬出標準的地球重力，每秒2.8度的角速度[8]。在旋轉參照系中對人為因素的研究表明，在如此低的旋轉速度下，很少有人會因為科里奧利力作用在內耳上而產生運動病[18][19][20][21][22]。然而，人們可以通過轉動他們的頭來探測旋轉和反旋轉的方向，而任何掉落的物品似乎都會偏離垂直投影幾厘米。居住區的中軸線將是一個零重力區域，設想在那裏設置娛樂設施和加工廠。[4][8]

大氣和輻射

這個棲息地的氧氣分壓大致相當於地球陸地空氣的20%，是地球海平面氣壓的20%。氮氣也會被包括進來，增加另外30%的地球壓力。這種半壓力大氣可以節省氣體，也可以減少棲息地牆壁所需的強度和厚度。[4][14][23]

藝術家對奧尼爾圓柱體內部的描繪，被反射的陽光照亮

在這種尺度下，圓柱體和圓柱體外殼內的空氣提供了足夠的屏蔽來抵禦宇宙射線。[4]奧尼爾圓筒的內部體積足以支持其自身的小型天氣系統，這些系統可以通過改變內部大氣成分或反射陽光的數量來操縱。[15]

陽光

每扇窗戶的後面都裝有一面大鏡子。窗戶的錯位邊緣指向太陽[8]。鏡子的作用是通過窗戶將陽光反射到圓柱體內。打開鏡子模擬夜晚，讓窗戶看到空曠的空間；這也允許熱量向空間輻射。在白天，反射的太陽似乎隨着鏡子的移動而移動，形成了太陽角度的自然變化。雖然肉眼不可見，但可以觀察到太陽的圖像由於圓柱的旋轉而旋轉。鏡子反射的光線是偏振的，這可能會迷惑傳粉的蜜蜂。[4]

為了讓光線進入棲息地，大窗戶沿着圓柱體的長度延伸[4]。這些不是單一的窗格，而是由許多小部分組成，以防止災難性的破壞，所以鋁或鋼的窗框可以承受棲息地的大部分壓力。有時，隕石可能會打破其中的一些窗格，導致一些空氣的損失。但計算表明，由於棲息地的非常大的體積，這不會是一個緊急情況。

姿態控制

棲息地和鏡子必須永遠瞄準太陽，收集太陽能，照亮棲息地的內部。奧尼爾和他的學生們小心翼翼地找到了一種方法，即不用火箭（火箭會釋放出反應物），就可以不斷地將殖民地的軌道旋轉360度。[4]首先，這對棲息地可以通過操作圓筒作為動量輪來滾動。如果一個棲息地的旋轉是輕微關閉，兩個圓柱將相互旋轉。一旦由兩個旋轉軸形成的平面與軌道的滾軸垂直，那麼就可以通過在兩個向日方向的軸承之間施加一個力使兩個圓柱偏離來瞄準太陽。將兩個圓筒推開會導致兩個圓筒像迴轉一樣進行轉動，系統會朝一個方向偏航，而將它們推向另一個方向則會導致偏航。反向旋轉的居住區沒有淨陀螺效應，因此這種輕微的進動可以在居住區的整個軌道上繼續進行，並保持它的目標是太陽。這是控制力矩陀螺儀的一個新的應用。[24]

設計更新和衍生產品

在1990年和2007年，提出了一種較小的設計派生物Kalpana One，它通過增加直徑和縮短長度來處理旋轉圓柱的擺動效應。此外，通過在低地球軌道上建造空間站和移除窗戶來應對建造輻射屏障的後勤挑戰[25][26]。2014年，有人提出了一種新的施工方法，即先將袋子充氣，然後用線軸(來自小行星材料)粘貼，就像複合材料外包壓力容器的施工一樣。[27]

現實提案

2019年5月9日，在華盛頓舉行的藍色起源活動上，傑夫·貝佐斯提議建立奧尼爾殖民地，而不是殖民其他行星。[28][29]

圖片庫

  • 一個圓柱體從相互連接的圓柱體中生長出來
    一個圓柱體從相互連接的圓柱體中生長出來
  • 美國宇航局的概念圖片，多個棲息地圓柱面向太陽
    美國宇航局的概念圖片，多個棲息地圓柱面向太陽

參見

虛構

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 和訊名家. 太空星尘：NASA对未来生活的复古指南 -新闻频道-和讯网. news.hexun.com. 2016-08-28 [2019-12-01]. （原始內容存檔於2019-12-01） （中文（中國大陸））. 
  2. ^ 如何设计一座太空城？_杰拉德·奥尼尔. www.sohu.com. 2019-07-30 [2019-12-01]. （原始內容存檔於2021-01-10） （中文（中國大陸））. 
  3. ^ 重返月球并超越！亚马逊的贝佐斯公布了开创性的太空计划. new.qq.com. [2019-12-01]. （原始內容存檔於2019-12-01） （中文（中國大陸））. 
  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 O'Neill, Gerard K. The High Frontier: Human Colonies in Space. New York: William Morrow & Company. 1977. ISBN 0-688-03133-1 （英語）. 
  5. ^ SPACE RESOURCES and SPACE SETTLEMENTS,1977 Summer Study at NASA Ames Research Center. nasa.gov. 2002-07-10 [2019-12-01]. （原始內容存檔於2020-02-04） （英語）. 
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  9. ^ 123軍情觀察室. 不能说的秘密！美国为了登月，曾花30亿美元求助这个小国？_中国 _东方军事. mil.eastday.com. 2018-11-30 [2019-12-01]. （原始內容存檔於2019-12-01） （中文（中國大陸））. 
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拓展閱讀

外部連結

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