流浪地球中的空间站为什么像个大轮子?而且和现实中的完全不同?-资讯-知识分子

流浪地球中的空间站为什么像个大轮子?而且和现实中的完全不同?

6天前
导读
环形空间站:巧妙解决失重问题

《流浪地球》剧照


撰文 | 孙珂剑


  


改编自刘慈欣同名小说的国产科幻电影《流浪地球》已经在大年初一和大家见面啦,相信很多人都对电影中的空间站印象深刻,当地球面临覆灭的威胁的时候,它承载着人类的希望,电影最后它又成为了拯救地球的关键。

 

哎等等,这个空间站是不是有点眼熟?不信你看这几部片子:

 

2019《流浪地球》:

 

(为了避免剧透,放个概念图)


2014《星际穿越》:

 


2013《极乐空间》:

 


为啥这些科幻大片中的空间站都像个大轮子?而更奇怪的是,真正的空间站形状和这完全不同啊:

 

 

这么多科幻大片中的轮式空间站难道只是“如有雷同纯属巧合”?现实中的空间站又为何变成了这副有点奇怪的模样?

 

环形空间站:巧妙解决失重问题


将空间站设计成环形的确有其科学道理,因为环形空间站自转产生的离心力可以模拟重力,解决太空生存中的失重问题。

 

初中里我们都学过,物体的重力可以简化地看作地球对物体的引力,其公式为:

其中F是引力,M与m是相互产生引力的两物体质量,G是引力常数,R是两物体间的距离。

 

另一方面,绕定点做圆周运动的物体需要受到向心力来保持圆周运动的状态,向心力公式为:

其中是角速度,是半径,m是物体质量。向心力的方向指向旋转中心。

 

在环形空间站旋转过程中,与空间站处于同一惯性参考系内的宇航员为了保持圆周运动的状态,就需要空间站为其提供向心力。因此,如果我们将空间站设计成环形,只要选取合适的旋转角速度和半径,就能使向心力的大小与在地球上时的重力大小接近,“人造重力”就诞生了。

 

模拟重力是太空探索中需要解决的大问题,实际上,早在1883年,人类航天事业的先驱、26岁的来自前苏联的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)就率先提出了人造重力这一概念;他在1935年去世,其手稿《自由空间》Free Space在1956年得以出版,描绘了一种带有推进器、陀螺仪和二级火箭的航天器雏形,并且论证了通过旋转产生人造重力的可能性。[1]

 

1883年,齐奥尔科夫斯基手稿Free Space 来源: Russian Academy of Sciences

 

上世纪50年代,在德国和美国早期航天事业发展中都扮演重要角色的冯·布劳恩发展了齐奥尔科夫斯基的设想。在有关火星探索的计划中,他设计了一个直径76米、转速为3转每分、有着3层甲板的航天器,能提供的人造重力约为地球上重力的1/3。按照预期,这个航天器能容纳约80名工作人员,但这一设想至今没有变成现实。[2]

 

冯·布劳恩1952年空间站概念图 绘画者:Chesley Bonestell  图片来源:Marshall Space Flight Center,NASA

 

这种关于空间站的设想很快进入了艺术领域。1968年,环形空间站的描述出现在了亚瑟·克拉克(Arthur Clark)的经典小说《2001:太空漫游(2001: A Space Odyssey)》中。

 


直到今天,环状空间站仍然不断地出现科幻小说和电影中,引起人们无限的遐想。


现实中的空间站:我不是一天建成的


理想很丰满现实很骨感,看多了科幻艺术中形状规整、外表酷炫的空间站,再看看现实中正漂在太空中的空间站,我们不禁纳闷:它怎么是这个“丑”样子?



现有的国际空间站(International Space Station,简称ISS)是目前人类建造的最大的航天器,它其实是一个近地轨道卫星,轨道高度为330km-435km。美国航天局、俄罗斯航天局、欧空局、日本航天局和加拿大航天局联合发起了国际空间站项目,和《流浪地球》中的设定类似,它的运行遵循多国共同制定的协议。

 

《流浪地球》中,中国领航员刘培强与联合政府意见不一致

 

空间站看上去有点“丑”的原因其实很简单:首先,空间站并不是一次性设计和建造完的,它的各个部件是由不同国家在不同时间造好之后发射到太空里进行组装。其次,科幻大片中那种能够进行匀速圆周运动的环形空间站在实际建造中存在难度,也会带来一些其他问题。

 

让我们来看看空间站的基本结构和装配历史。第一个部件是由俄罗斯的质子火箭于1998年发射升空的Zarya(意为“黎明”),它是一个重达19,300 kg的功能性运输模块Functional Cargo Block,带有供电、推进、高度控制等装置,为空间站的后续装配奠定基础。

 

Zarya概念图

 

两周后,美国的第一个部件、空间站的第二个部件Unity(意为“联结”)成功和Zarya在太空中会面。Unity是一个拥有铝制外壳的圆柱状连接件,它无疑是美国发展空间站的先遣兵,起到结构连接和传递物料的作用。

 

2000年和2001年,俄罗斯、美国先后发射了服务性部件Zvezda(意为“星辰”)和空间实验室Destiny(意为“命运”),它们都能够支持宇航员的长期生存,并配有大量科研设备。很快,欧洲和日本的实验室Columbus(意为“哥伦布”)、Kibō(意为“希望”)也加入了空间站大家庭。

 

功能性部件、太阳能帆板、实验室和三大连接件组成了空间站的基本结构,也就是我们今天看到的样子。

 

 

每一个部件的添加,不仅要考虑到自身的功能,还必须配合空间站的整体运行。综合安全、成本、制造及装配难度等方面的考虑,它的外形的确无法做到像科幻电影中那样简洁优美,但这仍然是值得我们人类骄傲的成就呀!

 

致谢:感谢张双南、苟利军对本文的审阅。


参考文献

[1] The history of artificial gravity.-NASA https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070001009.pdf 

[2] Across the Space Frontier New York: September 1952, Viking Press. 

[3] International Space Station.-NASA https://www.nasa.gov/mission_pages/station/main/index.html 

 

制版编辑 | 皮皮鱼

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