《流浪地球》劇照

撰文 | 孫珂劍

改編自劉慈欣同名小說的國產科幻電影《流浪地球》已經在大年初一和大家見面啦，相信很多人都對電影中的空間站印象深刻，當地球面臨覆滅的威脅的時候，它承載著人類的希望，電影最後它又成為了拯救地球的關鍵。

哎等等，這個空間站是不是有點眼熟？不信你看這幾部片子：

2019《流浪地球》：

（為了避免劇透，放個概念圖）

2014《星際穿越》：

2013《極樂空間》：

為啥這些科幻大片中的空間站都像個大輪子？而更奇怪的是，真正的空間站形狀和這完全不同啊：

這麼多科幻大片中的輪式空間站難道只是「如有雷同純屬巧合」？現實中的空間站又為何變成了這副有點奇怪的模樣？

環形空間站：巧妙解決失重問題

將空間站設計成環形的確有其科學道理，因為環形空間站自轉產生的離心力可以模擬重力，解決太空生存中的失重問題。

初中里我們都學過，物體的重力可以簡化地看作地球對物體的引力，其公式為：

其中F是引力，M與m是相互產生引力的兩物體質量，G是引力常數，R是兩物體間的距離。

另一方面，繞定點做圓周運動的物體需要受到向心力來保持圓周運動的狀態，向心力公式為：

其中是角速度，是半徑，m是物體質量。向心力的方向指向旋轉中心。

在環形空間站旋轉過程中，與空間站處於同一慣性參考系內的宇航員為了保持圓周運動的狀態，就需要空間站為其提供向心力。因此，如果我們將空間站設計成環形，只要選取合適的旋轉角速度和半徑，就能使向心力的大小與在地球上時的重力大小接近，「人造重力」就誕生了。

模擬重力是太空探索中需要解決的大問題，實際上，早在1883年，人類航天事業的先驅、26歲的來自前蘇聯的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）就率先提出了人造重力這一概念；他在1935年去世，其手稿《自由空間》（Free Space）在1956年得以出版，描繪了一種帶有推進器、陀螺儀和二級火箭的航天器雛形，並且論證了通過旋轉產生人造重力的可能性。[1]

1883年，齊奧爾科夫斯基手稿Free Space 來源： Russian Academy of Sciences

上世紀50年代，在德國和美國早期航天事業發展中都扮演重要角色的馮·布勞恩發展了齊奧爾科夫斯基的設想。在有關火星探索的計劃中，他設計了一個直徑76米、轉速為3轉每分、有著3層甲板的航天器，能提供的人造重力約為地球上重力的1/3。按照預期，這個航天器能容納約80名工作人員，但這一設想至今沒有變成現實。[2]

馮·布勞恩1952年空間站概念圖 繪畫者：Chesley Bonestell 圖片來源：Marshall Space Flight Center，NASA

這種關於空間站的設想很快進入了藝術領域。1968年，環形空間站的描述出現在了亞瑟·克拉克（Arthur Clark）的經典小說《2001：太空漫遊(2001: A Space Odyssey)》中。

直到今天，環狀空間站仍然不斷地出現科幻小說和電影中，引起人們無限的遐想。

現實中的空間站：我不是一天建成的

理想很豐滿現實很骨感，看多了科幻藝術中形狀規整、外表酷炫的空間站，再看看現實中正漂在太空中的空間站，我們不禁納悶：它怎麼是這個「丑」樣子？

現有的國際空間站（International Space Station，簡稱ISS）是目前人類建造的最大的航天器，它其實是一個近地軌道衛星，軌道高度為330km-435km。美國航天局、俄羅斯航天局、歐空局、日本航天局和加拿大航天局聯合發起了國際空間站項目，和《流浪地球》中的設定類似，它的運行遵循多國共同制定的協議。

《流浪地球》中，中國領航員劉培強與聯合政府意見不一致

空間站看上去有點「丑」的原因其實很簡單：首先，空間站並不是一次性設計和建造完的，它的各個部件是由不同國家在不同時間造好之後發射到太空里進行組裝。其次，科幻大片中那種能夠進行勻速圓周運動的環形空間站在實際建造中存在難度，也會帶來一些其他問題。

讓我們來看看空間站的基本結構和裝配歷史。第一個部件是由俄羅斯的質子火箭於1998年發射升空的Zarya（意為「黎明」），它是一個重達19,300 kg的功能性運輸模塊（Functional Cargo Block），帶有供電、推進、高度控制等裝置，為空間站的後續裝配奠定基礎。

Zarya概念圖

兩周後，美國的第一個部件、空間站的第二個部件Unity（意為「聯結」）成功和Zarya在太空中會面。Unity是一個擁有鋁製外殼的圓柱狀連接件，它無疑是美國發展空間站的先遣兵，起到結構連接和傳遞物料的作用。

2000年和2001年，俄羅斯、美國先後發射了服務性部件Zvezda（意為「星辰」）和空間實驗室Destiny（意為「命運」），它們都能夠支持宇航員的長期生存，並配有大量科研設備。很快，歐洲和日本的實驗室Columbus（意為「哥倫布」）、Kibō（意為「希望」）也加入了空間站大家庭。

功能性部件、太陽能帆板、實驗室和三大連接件組成了空間站的基本結構，也就是我們今天看到的樣子。

每一個部件的添加，不僅要考慮到自身的功能，還必須配合空間站的整體運行。綜合安全、成本、製造及裝配難度等方面的考慮，它的外形的確無法做到像科幻電影中那樣簡潔優美，但這仍然是值得我們人類驕傲的成就呀！

致謝：感謝張雙南、苟利軍對本文的審閱。

參考文獻

[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

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