只要技术足够强,国际空间站想造多大就造多大?想得美!

青田石头

1998年11月15日，随着曙光号功能货仓进入预定轨道，由美国、俄罗斯等国合作建造的国际空间站（ISS）正式开始在地球轨道上建设。由于采用的是模块化的建造模式，所以不同的空间站舱体被依次从地球上发射到太空，组装在一起。按照计划，建造整个国际空间站共需要超过50次太空飞行和组装，那么问题来了，如果我们之后觉得ISS不够用了，还能再往上加吗？

不说别的，在最近上映的《星际特工：千星之城》里，法国导演吕克·贝松提出了一个作为导演的解决方案：

电影中的星际城市阿尔法，其实是从国际空间站演变而来的，当然，在现实中，国际空间站最初确实也被称为“Alpha”。从越来越多的国家参与其中，到外星文明的鼎力加盟，这个空间站的发展越来越欣欣向荣。最后，因为它实在是太尼玛大了（？），地球附近容不下它，所以飞去了外太空，电影里的故事也就从这里展开。

↑千星之城阿尔法

看到这里你可能会感到好奇：要说国际空间站的尺寸问题，能想到的限制因素只有技术水平的发展，为啥太大了还不行？大招谁惹谁了？吃你家大米了吗？



还别说，就是有这种操作！因为“大”也是要看跟谁比较。如果是像阿尔法这样“大可及（星）球”的星际空间站，那尺寸和质量都决定了，它可能无法陪伴地球左右。这到底是为啥？限制空间站尺寸的因素都有哪些？别急，我们这就来梳理一下。

洛希极限：

别过来！小心我撕了你！



什么是洛希极限？这要先从“潮汐力”这个概念说起。在初中物理课上，你可能已经接触过“场”的概念：电场、磁场、万有引力场……你看不见它们，却又无时无刻不能清楚地感受到它们的存在。我们之所以能好好地站在地面上，不至于走一步就飘到天上去，正是万有引力场的功劳。毕竟，地球母亲相对我们来说，质量不光是“大”，而且还是相当的大……

道理我都懂，可这和潮汐力又有啥关系？嘿嘿，因为其实从本质上来讲，潮汐力和万有引力，说的其实是一回事儿：地球上的海洋在各个点，受到了来自太阳、月球和地球大小不同的引力作用，这些力形成的引力差撕扯着大海，产生了潮汐。虽然引力差能产生的作用可不仅仅是让水波荡漾起来，但总之，就让它叫这个名字好啦……

当一个天体邂逅另一个天体，这个天体的自身重力和第二个天体所能造成的潮汐力在某个位置又恰好相等，这个距离就成了洛希极限。再靠近的话可不是什么浪漫的事：在洛希极限内，天体会倾向碎散，进而成为第二个天体的环。一些内部引力较弱的物体，可能在经过洛希极限内时化成碎片。比如苏梅克－列维9号彗星，它在1992年经过木星时分成碎片，1994年落在木星上。所以，为了不至于分崩离析白建一场，这个超大号的星际城市，还是远点走比较好。



↑恒星接近黑洞，然后……被巨大的潮汐力撕碎了。

地心引力：

在地上习以为常

飞出去就是难题

从苹果砸在牛顿头上的那一刻开始，地心引力这个看不见摸不着，却至关重要的存在便正式从幕后走上了台前。没有它，地球上的生活会是怎样根本无法想象。在太空中，宇航员必须要面对失重环境带来的挑战，但在星际城市阿尔法里，工作人员可都是好好站在地上的。这时候我们就迎来了第二个大挑战：想要在这个巨型空间站里营造出和地球上一致的重力环境，有没有什么好办法？



↑想站在地上，重力怎么搞？

如果方向和大小控制得当的话，其实线性加速度就能产生类似“重力”的效果：飞机起飞的时候，你能很明显地感受到自己仿佛被一股作用力向后推，被牢牢按在了椅背上。对于那些依靠化学反应为自己供能的火箭来说，想要升天，它们必须首先克服重力的影响。而在此基础上也能模拟出重力的效果。但很显然，这样依靠剧烈化学反应来供能绝对不是长久之计。如此硕大的星际空间站长时间以这种方式来营造重力，性价比也太低了。

除此之外，依靠超级强大的磁力来营造出重力效果，将人或设备牢牢“吸”在空间站表面，理论上来说也是个方法。然而首先如此强大的磁力，会不会对人体造成伤害还不确定。而且在强磁场干扰下，设备的使用也会出大问题。所以这个办法对于人类来说，也不够现实。

有没有听上去接地气一点的方法呢？其实有，我们完全可以用离心力来模拟出重力的效果，也就是让太空船或太空船的局部高速旋转，从而使船舱内的工作人员感受到人工重力，这就是著名的离心效应或者向心力作用。形象点来说，我们只需要让太空舱变成一个甩干中的洗衣机，让衣服牢牢贴在桶壁，而不是漂浮在水里。离心力由旋转速度和半径共同决定，如果空间站的半径足够大，转速不需要太大也能提供足够的重力，听上去简直是完美方案。

但这样一说问题又来了：如果一个行星大小的空间站高速旋转，为成千上万的人以及配套设备提供足够的离心力，且不说需要耗费多少材料用量，这部分搭建材料必须要足够结实、能完美地组合在一起，即使是组合元件也能坚韧无比，只有这样才不至于转起来就散开了花。在人类还没学会利用外太空的充裕资源，或是掌握更加高精尖的合成技术之前，这一步想要实现，可能还不容易。毕竟，我们目前的人工重力技术，都没有达到能够实际应用的水平呢。

想象中的巨型空间站

是个什么模样？

要想用离心力完美模拟重力，第一反应肯定是造一个巨大的飞轮出来。而这也是国际空间站早期的概念设定。1974年，美国普林斯顿大学物理学家杰勒德·奥尼尔提出了一个就当时来讲脑洞超大的设想：建造一座城市般的空间站。这座空间站被设计成了一座圆筒型的城市，长32千米，直径6. 4千米，以中轴为旋转轴，每分钟自转一周，因此能产生跟地球表面同样大小的重力。圆筒的内壁正好是城市的地面。圆筒的顶部还有一个空间码头，从地球或其他太空城来的飞船可以在这里停靠。这个概念甚至得到了NASA的赞助，然而现实离梦想实在是有些遥远。四十年后，诺兰导演的《星际迷航》里才将它重现了出来。



↑“奥尼尔圆筒”概念图

当然了，其他的科幻作品里也不乏这样的形象：库布里克的著名电影《2001太空漫游》里的空间站模型也是一个巨大的飞轮。而1967年出版的漫画《韦勒瑞恩和洛瑞琳》里也有类似的空间站形象。这也是《星际特工：千星之城》里阿尔法城的原型。但在吕克贝松的电影里，那座豪华、丰富、充满着无尽想象和可能的星际城市比起巨型飞轮可要精彩的多。



↑《2001太空漫游》中的空间站模型

此外，影片中隐藏了不少现实太空探索中曾经出现的深梗：影片即将结束时出现的“destiny module”（命运号实验舱）的原型，其实是美国在国际空间站科学研究用载荷中的一个主要实验室，但它在影片中看上去更像一架阿波罗号飞船。而电影的结尾画面也同二十年前吕克贝松导演的科幻电影《第五元素》遥相呼应，这样的设定也深受《韦勒瑞恩和洛瑞琳》漫画影响。



↑现实中的命运号实验舱

至于这样的一座“千星之城”里，到底会发生什么样的故事呢？8月25日，去电影院一探究竟吧！



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