第251章 巨型结构（1/2）

李水旺新一期视频：

我们將介绍各种类型的巨型结构、人造世界及建筑，这些你可能在科学领域或科幻作品中有所耳闻。我们会涵盖从可能仅容纳十几人的近地轨道类型，到行星大小甚至太阳系规模的物体，比如戴森球。为此，我们採用了一套临时分类系统，大致基於巨型结构分类法。现在，让我们开始介绍我们的分类系统。

重力类型分类

首先是重力类型分类，包括无適用人工重力的情况、旋转重力、球形重力或经典重力，以及零重力或微重力。

人工重力

说到人工重力，这是你在科幻电影中最常见的场景。由於无法在零重力或微重力环境下拍摄电影，所以在电视和电影中，它们通常会设定某种形式的人工重力。我们不会过多列举这类例子，但值得將其作为一个分类提及，后续我们也会看到少数相关案例。

无適用重力的情况

此外，还有很多无適用重力的情况，比如轨道发射环，其所在位置的重力与物体本身並无关联；或者像巨型太空炮或轨道炮这类物体，重力与其用途毫无关係，我们无需关注其重力情况。

旋转重力

我们將重点关注的是旋转重力。这是一种自旋重力，人们感受到的重力是由离心力將其固定在地板上而產生的。我们有很多这类例子，之后会逐一介绍，它可能占据了我们要討论的大部分案例。我们儘量避免涉及过多复杂的数学知识，但有一个与旋转棲息地相关的重要方程需要提及：加速度（若要模擬地球重力，加速度需为 9.8 米 / 秒 2）。要实现这一加速度，需要根据空间站的半径，以特定速度旋转空间站，其计算公式为速度的平方除以半径。

球形重力或经典重力

接下来是球形重力或经典重力，这並不局限於行星或小行星，但它们是最常见的例子。这是你所体验到的真实重力，其產生不一定源於经典意义上的行星。在许多情况下，你可以创造出因质量而產生重力的环境，但这类天体的大小可能与地球不同，或者其起源並非天然的类地天体。它们的形状和大小几乎与旋转环形棲息地一样丰富多样，我们也会介绍不少这类例子。

零重力或微重力

最后一类是零重力或微重力。在这种情况下，棲息地、空间站或人造世界內部的人们除了会感受到极微弱的重力外，几乎没有明显的重力体验。除了空间站，还可能存在一些大型充气球体，內部充满空气，这类结构也属於零重力或微重力环境。

尺寸分类

我们分类系统的下一个类別是尺寸。这些物体的尺寸范围极广，从小型空间站一直到太阳系大小的天体。因此，我们採用了一套数量级尺度来划分，用数字 n 表示，其中 n 代表 10 的 n 次方米（即物体的宽度以米为单位，n=1 表示 10 米，n=2 表示 100 米，n=3 表示 1000 米，n=6 表示 100 万米，以此类推）。

尺寸与上述重力类型的组合方式如下：z1 代表直径约 10 米的零重力环境，例如空间站；长度达数英里的大型旋转棲息地可表示为 r4；像地球以及几乎所有你通常认为適合人类居住的行星，可表示为 s7，其中 s 代表球形重力，其直径约为 10000 公里（即 1000 万米）；而 a11 则代表与地球绕太阳轨道大小相当的人工重力环境，例如戴森场。

宜居性分类

最后一个分类是宜居性。为了方便计算，我们假设 1 公顷（即 100 米 x100 米的区域，大约相当於 1 英亩）的面积，足以让一个人种植所有所需的食物，並有一些森林和花园区域。这是一个非常粗略的估算，但地球的陆地面积约为 140 亿公顷，其中包括沙漠和极地等不適宜居住的区域，而地球人口约为 70 亿（大致为 10 的 10 次方）。这恰好为我们提供了宜居性指数 x=10，我们採用同样的 10 的 n 次方系统来表示。x 值適用於地球和其他行星，s7x 则代表完全人口化的典型行星。

这个图表是我们的实用指南，我们使用该分类时仅作大致参考。例如，狩猎採集文明的宜居性指数可能会低两个等级，他们每人不需要 1 公顷的土地，大约需要 100 公顷；相反，通过高密度水培法、气培法和人工照明，1 公顷的土地可以轻鬆养活 100 人。在某些科幻设定或人类未来场景中，人类甚至可能不需要进食，而是依靠电力生存。因此，这只是一个大致的尺度，x 值大致相当於一颗行星的人口数量。我们仅將该指数用於那些本身虽不算特別巨大，但大致能实现自给自足、类似人造行星的场所。在很多情况下，宜居性指数並不適用；而对於適用的情况，其分类形式如下：z1i 或 z11 代表空间站，上面的人口非常少；r4v 或 r45 代表可容纳约 10 万人的区域；s7x（再次以地球为例）代表可容纳数十亿人口的场所；而戴森球这类结构，其內部空间与地球相当，可容纳数千亿亿人口。

由於无適用人工重力类別的物体没有特定形状，且种类繁多，我们將从旋转重力类物体开始，作为具体例子进行介绍。

此外，需要明確的是，当涉及飞船或空间站时，这些物体的外部不一定是圆柱形。就產生重力的部分而言，它们是圆柱形的，但外部可能有一个不旋转的外壳；或者，你甚至可以將它们直接嵌入小行星內部。不过，有一点需要注意，有时人们会说 “把小行星挖空然后旋转它”，但实际上你永远不会这样做。这些物体所受的重力会隨著离旋转轴距离的增加而增大，而大多数小行星是由鬆散的碎石构成的，其表面重力非常微弱。如果真的以產生人类所需人工重力的速度旋转整个小行星，它会立刻解体。而且，你也不需要旋转整个小行星，只需確保旋转物体与你在小行星內部构建的外壳之间有几米的空隙即可。

另外需要注意的是，这类结构的半径或直径受限於材料的承受能力，就像悬索桥的长度不能无限延长一样，许多材料无法承受数英里长的周长所带来的应力。

现在，让我们来具体介绍各种例子。

冯?布劳恩空间站

这是 1952 年的冯?布劳恩空间站，是最早的设计之一，看起来也相当眼熟。它体积不大，直径不到 100 米，可容纳不到 100 人。美国国家航空航天局（nasa）在 20 世纪 50 年代末和 60 年代初製作了不少这类模型。

六边形旋转充气空间站

这是 20 世纪 60 年代初设计的一款六边形旋转充气空间站。不久之后，人们开始构想更大的空间，这些空间不再是类似南极科考站那样狭窄封闭的工作场所，而是真正適合人类居住的地方。

斯坦福金牛座空间站与博纳球体空间站

其中最早的一批构想包括斯坦福金牛座空间站和同一时期的博纳球体空间站。这些设计均假设使用钢材建造，並利用当地恆星的光线提供能量。它们的直径达数公里或数英里，可容纳数千、数万甚至数十万人。

奥尼尔圆柱体空间站

这些通常被称为 “奥尼尔圆柱体空间站”，以杰拉德?奥尼尔的名字命名。其设计理念是利用当地恆星的光线供电，直径达数公里或数英里，可容纳数千、数万甚至数十万人。

巴比伦 5 號空间站

科幻作品中一个广为人知的例子是电视节目《巴比伦 5 號》中的空间站。这些设计基於一个前提：使用普通金属建造的空间站，直径超过约 10 公里后就会开始解体。

伊诺克城项目空间站

这是伊诺克城项目中的另一个例子，你可以在他们的脸书主页上了解更多相关信息。

到目前为止，我们所討论的都是相对较小的物体，接下来我们將介绍更大的结构，这类结构只有在 20 世纪 90 年代中期发现碳纳米管和石墨烯后才得以构想。这些材料你可能已经听说过很多，它们让我们產生了太空电梯等想法。此时，我们討论的不再是仅能容纳数千人的小型结构，也不是城市或大都市规模的物体，而是相当於大国面积的巨型结构。

这张图片中的英国是按比例呈现的，英国从北到南约 1000 公里，而图中的这个结构宽约 500 公里，直径约 2000 公里，其內部陆地面积实际上与美国东部地区相当。

毕肖普环

但毕肖普环仅仅是利用石墨烯和碳纳米管所能实现的眾多构想的冰山一角。

麦肯德里圆柱体空间站

接下来是更大的麦肯德里圆柱体空间站，它的长度达数千公里，宽度与毕肖普环相当。这个物体有潜力容纳接近一个行星规模的人口，其宜居性人口指数为 ix（即 9），可以舒適地容纳 10 亿人。它的长度通常为 7000 公里，体积极为庞大，而且还可以设置多个层级。我们通常將其想像为只有一个面向天空的层级，但实际上它可以有很多很多层。例如，在这张图片中，与行星对比的並非麦肯德里圆柱体空间站的特写，而是其实际尺寸比例 —— 它长达数千公里。此外，它不一定需要那些吸光圆盘，这只是基於没有其他能源来模擬阳光的假设。

如前所述，使用传统材料建造这类结构时，其尺寸会受到一定限制，但你仍然可以將其作为一个整体结构不断扩大规模。梯次结构

一个例子是梯次结构，这个看似围绕圆周排列的 “梯子” 上的每一个小横档，都可能是奥尼尔圆柱体空间站或麦肯德里圆柱体空间站大小的物体。因此，这个结构的规模可能相当於多个行星，甚至可以环绕整个恆星。

班克斯轨道棲息地