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奥尼尔圆柱体

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画家笔下的成对奥尼尔圆柱的外部结构（上）及内部景观（下）

奥尼尔圆柱体（英语：O'Neill cylinder），又称奥尼尔殖民地（O'Neill colony），是由美国物理学家兼天文学家杰瑞德·K·奥尼尔在其1976年著作《高边疆：太空中的人类殖民地（英语：The High Frontier: Human Colonies in Space）》中提出的宇宙殖民地构想[1]，他提议用月球或小行星上开采的资源，在21世纪实现太空移民[2]。目前此构想仍流于理论，而杰夫·贝佐斯曾在2019年5月9日于华盛顿哥伦比亚特区举行的蓝色起源活动中提议建造奥尼尔圆柱，而非殖民其他星球[3][4]。

奥尼尔圆柱由两个反向旋转的圆柱体组成，之所以朝逆时针方向运行是因为此举可以抵消陀螺效应，否则他们将无法对准太阳。每个圆柱体的直径约为5公里，长20公里，且两端通过杆端的轴承系统连接，其旋转会为奥尼尔圆柱体提供人工重力[1]。

背景

唐·戴维斯（英语：Don Davis (artist)）对奥尼尔圆柱内部的描绘，图中可见其内表面的曲率

在普林斯顿大学教授本科物理时，奥尼尔给了其学生一个设计出外层空间大型结构的课题，从而证明在太空中生活一事为可取，其中一些设计理论上有足够大的体积供人类居住。这课题激发了奥尼尔关于殖民地圆柱体的想法，他随后便在1974年9月《今日物理（英语：Physics Today）》的一篇文章上讲述此构思[5]。

“岛屿”

在《高边疆：太空中的人类殖民地》中，奥尼尔提出三种参考设计（英语：Reference design），并称它们为“岛屿”[1]：

  • 二号岛屿（Island Two）：球形设计，直径1.6公里
  • 三号岛屿（Island Three），即现今的奥尼尔圆柱体，由两个反向旋转，直径8公里、长32公里的圆柱体组成[7]。每个圆柱体有六个沿着圆柱体长度延伸的等面积复合板，其中三个是透明的窗户，其他三个则是可住人的“平面陆地”，此外还有一直径32公里，以不同速度旋转来支持农作物生长的外环结构。工业制造区则位于圆柱体的中心，此规划的目的是为某些制造过程提供尽量小的重力[7]。

为了节省从从地球发射原材料的巨额成本，这些殖民地将通过质量投射器从月球发射到太空的材料建造[1]。

设计

在圆柱体内的生活

设有质量投射器的NASA月球基地概念图，其中朝着月平线延伸的笔直结构是建造奥尼尔圆柱体计划的一部分
画家笔下的奥尼尔圆柱体被阳光反射照亮的内部

在1974年9月号的《今日物理（英语：Physics Today）》杂志上，奥尼尔博士认为奥尼尔圆柱体上的生活会比地球上的某些地方更好[8]，个中原因是其中有丰富的食物、稳定的气候和天气控制。圆柱体内不允许会产生烟雾和污染的内燃机车辆行驶，对于仅有20公里的圆柱体内部来说，单车和低速电动车便已足够[8]。由于旋转圆柱体的人工重力，居民们还可以进行在地球上能做娱乐运动，如滑雪、帆船和登山等来保持身体的健康。除了这些运动外，理论上也可以在圆柱体殖民地外的太空中进行其他运动[8]。

人工重力

圆柱体的旋转会为其内表面提供人工重力。在奥尼尔描述的半径范围内，殖民地必须每小时旋转约28次才能模拟出标准的地球重力，且角速度须达每秒2.8度。就旋转参考系的人为因素的研究表明[9][10][11][12][13]，在如此低的旋转速度下，很少会有人产生晕动病症状，这是由于科氏力仅作用于内耳的关系。然而，殖民地内的居民们可以透过转头，来感知圆柱体自旋和反自旋的方向，且任何落下的物品似乎都会偏离原落点几厘米[12]。殖民地的中心轴是一个无重力区域，理论上可以在那里设置娱乐设施。

大气与辐射

奥尼尔殖民地的氧气分压大致与地球大气相同，为地球海平面气压的20%，其中也包含氮气，以增加气压至约地球气压的30%，这种半压大气可节省气体，并降低殖民地墙壁所需的强度和厚度[1][6]。在直径5公里，长20公里的尺度上，圆柱体内的空气和其外壳已可充分屏蔽宇宙射线[1]。奥尼尔圆柱体的内部体积足以支撑其小型天气系统，而系统本身可以通过改变内部的大气成分或反射阳光的数量来控制[7]。

阳光

圆柱体的每片大窗户背面都铰接著一面大镜子，未经铰接的窗边边缘则指向太阳。设置镜子的目的是希望借由窗户的反射，将阳光照进殖民地内，而夜晚则通过打开镜子，让空旷的深空表露无遗来模拟，同时允许热量散发至太空中[1]。在白天时，经反射的太阳会随着镜子的移动而迁移，从而形成太阳角度的自然变化。尽管肉眼看不见，太阳仍可能会因为圆柱体的逆时针运行而“旋转”。另外镜子反射出的光是偏振的，授粉蜜蜂可能会因此迷失方向[1]。

为了让光线进入殖民地，大窗户会沿着圆柱体的长一直延伸，但不会是单一的窗格，而是由许多小窗组成，以防止灾难性的损毁，而铝或钢窗框可以承受殖民地地气压的大部分压力。有时流星体可能会破坏其中一片窗格，导致部分大气流失，但计算表明这不会是紧急状况，原因是殖民地拥有巨大的体积[1]。

姿态控制

殖民地及其反射镜必须永远对准太阳（英语：Attitude control），以透过太阳能照亮殖民地内部。奥尼尔和他的学生们精心设计了一种方法，可以在不使用火箭推进的情况下使殖民地每轨道连续旋转360度，从而减少反作用质量（英语：Working mass）[1]。

设计更迭与衍生构思

在1990年及2007年，有科学家提出一种较奥尼尔圆柱体小，名叫“卡尔帕娜一号”的衍生设计，其通过增长直径和缩短长度来解决旋转圆柱体的摆动效应，而它应对宇宙辐射的方法则是拆除窗户，以及把空间站设在低地轨道[14][15]。2014年，有人提出了一种新的空间站建造方法，即像建造复合外包装压力容器（英语：composite overwrapped pressure vessel）一样，给袋子充气并用由小行星材料制成的线轴将其捆起来[16]。

画廊

参见

在流行文化中的出现

参考资料

  1. ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 O'Neill, Gerard K. The High Frontier: Human Colonies in Space. New York: William Morrow & Company. 1977. ISBN 0-688-03133-1. 
  2. ^ Space Resources and Space Settlements,1977 Summer Study at NASA Ames Research Center. NASA. [20 October 2012]. （原始内容存档于29 July 2012）. 
  3. ^ Blitz, Matt; Orf, Darren. Blue Origin Reveals the Blue Moon Lunar Lander. Popular Mechanics. 9 May 2019 [11 June 2019]. （原始内容存档于2019-10-02）. 
  4. ^ Going to space to benefit Earth (Full event replay). Blue Origin. [5 October 2021]. （原始内容存档于2022-06-19）. 
  5. ^ O'Neill, Gerard K. The Colonization of Space. Physics Today. September 1974, 27 (9): 32–40. Bibcode:1974PhT....27i..32O. ISSN 0031-9228. doi:10.1063/1.3128863. 
  6. ^ 6.0 6.1 Space Settlements: A Design Study (1977) 互联网档案馆的存档，存档日期2012-06-14.. NASA SP-413. NSS.org. Retrieved September 12, 2012.
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 O'Neill Cylinder. Orbital Space Settlements. National Space Society. [November 13, 2012]. （原始内容存档于February 21, 2009）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 O'Neill, Gerard. The Colonization of Space – Gerard K. O’Neill, Physics Today, 1974 - National Space Society. space.nss.org. 2018-03-28 [2022-04-29]. （原始内容存档于2022-06-18） （美国英语）. 
  9. ^ Beauchamp, G. T. Adverse Effects Due to Space Vehicle Rotation. Astronautical Sciences Review. October–December 1961, 3 (4): 9–11. 
  10. ^ Proceedings of the Symposium on the Role of the Vestibular Organs in Manned Spaceflight, NASA SP-77, 1965. See in particular: Thompson, Allen B.:Physiological Design Criteria for Artificial Gravity Environments in Manned Space Systems
  11. ^ Newsom, B. D. Habitability factors in a rotating space station (PDF). Space Life Sciences. June 1972, 3 (3): 192–197 [2022-06-19]. Bibcode:1972SLSci...3..192N. PMID 5038187. S2CID 21448026. doi:10.1007/BF00928163. （原始内容 (PDF)存档于2018-10-04）. 
  12. ^ 12.0 12.1 Proceedings of the Fifth Symposium on the Role of Vestibular Organs in Space Exploration, Pensacola, Florida, August 19–21, 1970, NASA SP-314, 1973
  13. ^ Altman, F. Some Aversive Effects of Centrifugally Generated Gravity. Aerospace Medicine. 1973, 44: 418–421. 
  14. ^ Kalpana One Space Settlement. settlement.arc.nasa.gov. [2018-10-26]. （原始内容存档于2013-02-15） （英语）. 
  15. ^ Globus, Al. The Kalpana One Orbital Space Settlement Revised (PDF). [2022-06-19]. （原始内容 (PDF)存档于2008-05-09）. 
  16. ^ Third Tennessee Valley Interstellar Workshop, Nov 10-11, 2014, Oak Ridge, TN, Dr. Gordon Woodcock (Boeing/NSS), 10.0 A Construction Scenario for O'Neill Cylinder Space Settlement Habitats, 2014-12-21 [2018-10-26], （原始内容存档于2016-04-10） 
  17. ^ Curreri, Peter A. (2007). "A minimized technological approach towards human self sufficiency off Earth" (PDF) （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Space Technology and Applications International Forum (STAIF) Conference, Albuquerque, NM, 11–15 February 2007.

延伸阅读

外部链接

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