太空移民研究

美国国家航空航天局研究

太空移民,或称太空殖民早在20世纪70年代中期就受到极大关注,而由美国国家航空航天局资助的杰拉德·奥尼尔博士牵头的两项研究也极大地催生了大众对其的兴趣,当时研究在1975年和1976年的夏天于斯坦福大学进行。期间参与者公开发表的图书和文章成为出现在航空航天技术圈内最早的资料,最终在各种图书俱乐部和大众杂志里广为传播;科幻小说作家也开始描写关于主人公太空定居的故事和小说;技术性质的团体组织也赞助各种会议研讨太空定居中建设和运作的细节;建筑师设计出了人类未来太空生活的社区模型原型;硕士论文研究太空定居设计也能获得大学学位;在“太空移民”概念流行的巅峰时期,以反主流文化著称的《全球概览》杂志也兴奋地讨论着“太空移民”的概念;同时,蒂莫西·利里博士(对,就是那个研究强力致幻药LSD的家伙)[1]在各种巡回演讲、电视和广播访谈里大谈未来太空生活的美好。

打从一开始,关于太空定居最具争议的话题就是关于其巨大的开发、维护和物流成本,其中主要的花费集中在要将成千上万吨的货物和材料送入轨道。为了让“太空定居”的概念变成现实,必须找到最经济的方式,这样才能在20世纪70年代早期的能源危机和石油禁运的背景下获得认可。太阳能卫星几乎是解决能源危机最显而易见的解决方案,即在太空中构造一个3英里宽,20英里长的架构,上方实现太阳能电池板全覆盖以产生10兆瓦特的电力。然而,如此浩大的工程必然需要人工建造以及人工维护。因为需要制造大量的这样的太阳能卫星,所以需要为施工人员在太空中找到居住的地方,而太空定居点恰恰是可以提供如家般舒适的环境的地方。整个场景可能有点天真,但是人们确实做了研究,梦想也早已被点燃,甚至很多人决定一旦第一个定居点运行成功后他们就立即打包行李,开辟在新领地的生活。当时一个叫L5的协会成立,在章程里宣称其最终一次会议将于第一个太空居住点举行,届时也就实现它存在的意义(L5协会后来和国家航天学会合并,所以其章程规定也不再存在)。

虽然当时研究者勾勒了关于太空定居的众多概念,20世纪70年代的研究主要产生了三个设计方案,每一个在解决设计难题上方法都稍有不同。图1a为“斯坦福环形设计”的外部视图,国家航空航天局资助的这项设计细节突出,令人印象深刻。圆环直径1英里,以1 RPM的速度旋转以产生一个G的加速度模拟重力作用。圆环内部截面大概有420英尺(128.016米),空间可容纳1万人居住及生存所需的农作物和其它物品。该设计的其它主要特色是它还有一面巨大的镜子在居住点上方“浮动”,将阳光反射到太阳能板和圆环中心的小镜子上,前者产生电力,后者将阳光再直射到圆环的居住区。在建造太阳能卫星时将会用到一种设备来精炼月球的矿石,设备将安置在距离居住区6英里长的运输管道处。图1b 所示的是斯坦福环形设计的一个居民区,图中设计者设想了一种兼具开放空间、环保绿色的底层住宅。在一些艺术家的斯坦福环形设计的内部视图中,甚至可以看到有涓涓细流和慢跑小径。

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图1a,1b 斯坦福环外部和内部设计

图2a展示的是“伯纳尔球”设计,是为解决问题而设计的球形方案。该设计也能容纳1万人居住,住在球形的中间部分。阳光通过球面各分区任意末端的镜子直射到球形内部。从居住区往两端延伸圆环聚簇的部分,是该设计的农业地区。这种形状施工容易,同时还可能在不同圆环处不同气候区不同季节中,种植各种不同的作物。图2 b伯纳尔球体设计内部视图, 可再次看出设计师优先考虑打造绿色区域以及低密度住宅的想法。

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图2a, 2b 伯纳尔球外部和内部设计

太空定居中最具野心的设计是图3a所示的“3号岛”设计, 图中两个反向旋转圆柱体直径4英里,长20英里,自称足以容纳人口多达1千万。 这些圆柱由三块陆地区域组成,大约2英里宽,以三面2英里宽的窗户相隔并相间分布。每一个圆柱其中的一个末端斜向安置的镜子会将阳光反射到窗户里。环绕在每一个圆柱上的小隔舱样的空间是农业和制造业区域。图3b是该设计的内部视图,所展示的几乎是相当于农村人口的密度;其书面的文字描述也写着数个乡村似的人口中心在该区数百平方英里星罗棋布。

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图3a, 3b 3号岛外部和内部设计

关于太空定居设计方案的共识是这些设计中符合逻辑的一个位置是地球和月球之间的数个平动点之一。在天体系统中有5个拉格朗日点,其中轨道中一个较大天体围绕另一个更大的天体旋转(如月球环绕地球旋转);这些拉格朗日点的位置中,两个天体的引力在拉格朗日点平衡,使得定居点与前两个物体相对静止。图4a所示的就是拉格朗日点,又称“平动点”。 L4、L5是五个点中最稳定的,他们都位于到月球和地球距离相等的月球轨道上(特洛伊小行星被发现位于木星轨道上的同月球和太阳以及地球系统一样存在的L4和L5点上)。因为太阳系中其他物体的扰动,这些点也不确定;放置于这些区域的物体将会沿着拉格朗日点进入更大的轨道。实际上,有大量的太空设施都可以放置在L4和L5处。其它三个拉格朗日点的运动机制有点像“马鞍”,即如果一个物体被扰动并偏移一点,它就会继续偏移直至找到它一个自认为更正常的轨道。不过,如果它们的引擎会不断让其归回原位,那物体就会一直呆在这些区域。

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图 拉格朗日点

美国宇航局太空定居研究中的一些开发的最好的数据是建立在分析人类需求的基础上的,以下有部分当时表格的摘录。

20世纪70年代末期,美国宇航局太空定居研究被中断,兴趣热情也逐渐消退。大多数人忘记了能源危机,一段时间里很多宇航爱好者的首要任务是留住任何可能的载人航天计划。只有少数人仍深信人类终将大批地向太空移民,尽管他们知道不可能赶得上先前预期的时间进度表了(计划1995年实现太空殖民,来自于L5 in ’95!一句当时的非官方口号,)。

然而,在过去的几年里,一些勇敢人士也一直在重新考虑大规模太空定居的想法,一些颇具冒险精神的人再次公开宣称太阳能卫星的使用是对常规电站的合理替代方案。再一次对太空定居计划的考量的关键还是其运输成本。政府和一些行业都表态承诺要开发运行能够将有效载荷送入轨道且每磅运输费用只500$。这虽然仍花费不小,但对商业企业来说,相比现如今几乎无利可盈的2,500$ 到10,000$每磅的花费还是可行的。最后还会资助一个返回月球的项目;建立月球基地开发采矿作业,也能为太空定居点建设提供相对廉价的建设材料来源。

表 1. 社区空间和面积分配(摘自1975年美国美国国家航空航天局NASA夏季研究)

空间用途

需求表面积
(m2
/人)

估算高度
(m)

居民住宅

49

3

商业

   商店

2.3

4

   办公室

1

4

公共和半公共区

    学校

1

3.8

    医院

0.3

5

    集会地 (教堂/礼堂)

1.5

10

    娱乐休闲区

1

3

公共空地

10

50

服务行业

4

6

仓库

5

3.2

交通运输

12

6

基础设施

7.1

4

农业

    植物种植区

44

15

    动物区

5

15

    食品加工、收集、存储等

4

15

    农业干燥区

8

15

总共

155.2


表 2. 太空定居点每日平均营养表(克/人) (摘自1975年美国美国国家航空航天局NASA夏季研究)

来源

类别

重量(克)

热量
(卡路里)

碳水化合物
(克)

脂肪
(克)

蛋白质
(克)

肉类

鲑鱼

40

78

0

4.6

8.6

兔肉

40

64

0

3.2

8.4

牛肉

40

142

0

12.8

6.3

鸡肉

40

49

0

1.3

8.8

农产品

鸡蛋

24

39

0.2

2.8

3.1

牛奶

500

330

24.5

19.0

17.5

小麦

180

608

130.1

3.6

24.3

大米

100

363

80.4

0.4

6.7

100

385

99.5

0

0

蔬菜水果

胡萝卜

100

42

9.7

0.2

1.1

莴苣

100

14

2.5

0.2

1.2

豌豆

150

126

21.6

0.6

9.5

苹果

100

56

14.1

0.6

0.2

土豆

100

76

17.1

0.1

2.1

番茄

100

22

4.7

0.2

1.1

橘子

100

51

12.7

0.1

1.3

总共

1814

2445

417.1

49.7

100.2

注意: 当前对人体营养的理解可能会与推荐营养表的数值有所不同


[1] LSD:Lysergic Acid Diethylamide(麦角酸二乙基酰胺),是已知药力最强的迷幻剂

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