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User:JuneAugust/奥尼尔圆筒

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艺术家描绘的一对奥尼尔圆筒

奥尼尔圆筒（O'Neill cylinder[1]，也称为O'Neill colony，奥尼尔殖民地）是美国物理学家杰瑞德·K·奥尼尔在他1976年出版的《高处领域：人类的太空殖民计划（英语：The High Frontier: Human Colonies in Space）》[2][3]一书中提出的太空定居概念。[4]奥尼尔提议在21世纪将太空殖民化，使用从月球以及小行星提取的材料。[5]

奥尼尔圆筒由两个反向旋转的气筒组成。这两个圆柱会朝相反的方向旋转，以抵消任何陀螺效应，否则它们很难保持对准太阳。每个都将是5英里(8.0公里)的直径和20英里(32公里)长，通过一个轴承系统连接在每个末端杆。它们会旋转以便通过内表面的离心力提供人工重力。[4]

室内视图，显示交替的土地和窗口条纹

背景

 
艺术家对奥尼尔圆筒内部的印象，显示了内表面的曲率

在普林斯顿大学教授本科物理时，奥尼尔让学生们设计外层空间的大型结构，意在表明生活在太空中是可取的。一些设计能够提供足够大的体量，适合人类居住。这个合作的结果启发了奥尼尔圆柱体的构想，并最终在1974年9月的《今日物理（英语：Physics Today）》上公开发表。[6][7][8]

奥尼尔的计划并非完全没有先例。早在1903年，俄国航天先驱齐奥尔科夫斯基就曾在其著作《飞向宇宙的火箭》中描绘了依靠自转来模拟重力的空间站构想[7]。1929年赫尔曼·波托奇尼克（英语：Herman Potočnik）也其著作《太空旅行的问题》（Das Problem der Befahrung des Weltraums - der Raketen-Motor）中提出了类似的构想[9]。1954年，德国科学家赫尔曼·奥伯特在其著作《人类在太空——火箭和太空旅行的新项目》（Menschen im Weltraum – Neue Projekte für Raketen- und Raumfahrt）中描述了利用巨大的可居住圆筒进行太空旅行的情况。在奥尼尔提出“他的”圆柱体构想之前不久，作家亚瑟·查理斯·克拉克在他的小说《与拉玛相会》就描绘了这样一个圆柱体（尽管是外星人建造的）[10]。

岛

奥尼尔一共创作了三个参考设计，绰号为“岛”[11]：

岛一型是一个旋转球体，周长1英里（1.6公里）（直径1,681英尺（512米）），人们生活在赤道地区（见伯纳尔球体（英语：Bernal sphere）[1][12]）[13]，高纬度地区则安装有玻璃[11]。后来，美国宇航局和艾姆斯研究中心在斯坦福大学开发了另一个版本的岛一型——斯坦福环面，一个直径1,600英尺（490米）的环形结构。[14]

岛二型在设计上也是球形的，直径为3.6千米，大致为一型的放大版。[13]

岛三型的设计，更广为人知的名字是奥尼尔圆筒，由两个反向旋转的圆柱体组成，每个圆柱体直径5英里（8.0公里），能够扩大到20英里（32公里）长[13][15][16]。每个圆柱体有六条与圆柱体长度相等的条纹，其中三条是透明的窗户，三条是可居住的“陆地”表面[8]。此外，一个直径为二十英里(32公里)的农业外圈以不同的速度旋转，以支持农业生产。栖息地的工业制造区位于轴心部位，以便使一些制造过程的重力最小化[4][8]。

为了节省从地球上用火箭运送材料的巨大成本，这些栖息地将由月球利用磁性质量投射器发射到太空中的材料建造。[4][17]

设计

人工重力

 
美国宇航局的月球基地概念与质量驱动器(长结构，延伸到地平线，是建立奥尼尔圆筒的计划的一部分)

圆柱体旋转在其内表面提供人工重力。在描述描述的半径范围内，栖息地需要每小时旋转28次才能模拟出标准的地球重力，每秒2.8度的角速度[8]。在旋转参照系中对人为因素的研究表明，在如此低的旋转速度下，很少有人会因为科里奥利力作用在内耳上而产生运动病[18][19][20][21][22]。然而，人们可以通过转动他们的头来探测旋转和反旋转的方向，而任何掉落的物品似乎都会偏离垂直投影几厘米。居住区的中轴线将是一个零重力区域，设想在那里设置娱乐设施和加工厂。[4][8]

大气和辐射

这个栖息地的氧气分压大致相当于地球陆地空气的20%，是地球海平面气压的20%。氮气也会被包括进来，增加另外30%的地球压力。这种半压力大气可以节省气体，也可以减少栖息地墙壁所需的强度和厚度。[4][14][23]

 
艺术家对奥尼尔圆柱体内部的描绘，被反射的阳光照亮

在这种尺度下，圆柱体和圆柱体外壳内的空气提供了足够的屏蔽来抵御宇宙射线。[4]奥尼尔圆筒的内部体积足以支持其自身的小型天气系统，这些系统可以通过改变内部大气成分或反射阳光的数量来操纵。[15]

阳光

每扇窗户的后面都装有一面大镜子。窗户的错位边缘指向太阳[8]。镜子的作用是通过窗户将阳光反射到圆柱体内。打开镜子模拟夜晚，让窗户看到空旷的空间；这也允许热量向空间辐射。在白天，反射的太阳似乎随着镜子的移动而移动，形成了太阳角度的自然变化。虽然肉眼不可见，但可以观察到太阳的图像由于圆柱的旋转而旋转。镜子反射的光线是偏振的，这可能会迷惑传粉的蜜蜂。[4]

为了让光线进入栖息地，大窗户沿着圆柱体的长度延伸[4]。这些不是单一的窗格，而是由许多小部分组成，以防止灾难性的破坏，所以铝或钢的窗框可以承受栖息地的大部分压力。有时，陨石可能会打破其中的一些窗格，导致一些空气的损失。但计算表明，由于栖息地的非常大的体积，这不会是一个紧急情况。

姿态控制

栖息地和镜子必须永远瞄准太阳，收集太阳能，照亮栖息地的内部。奥尼尔和他的学生们小心翼翼地找到了一种方法，即不用火箭（火箭会释放出反应物），就可以不断地将殖民地的轨道旋转360度。[4]首先，这对栖息地可以通过操作圆筒作为动量轮来滚动。如果一个栖息地的旋转是轻微关闭，两个圆柱将相互旋转。一旦由两个旋转轴形成的平面与轨道的滚轴垂直，那么就可以通过在两个向日方向的轴承之间施加一个力使两个圆柱偏离来瞄准太阳。将两个圆筒推开会导致两个圆筒像回转一样进行转动，系统会朝一个方向偏航，而将它们推向另一个方向则会导致偏航。反向旋转的居住区没有净陀螺效应，因此这种轻微的进动可以在居住区的整个轨道上继续进行，并保持它的目标是太阳。这是控制力矩陀螺仪的一个新的应用。[24]

设计更新和衍生产品

在1990年和2007年，提出了一种较小的设计派生物Kalpana One，它通过增加直径和缩短长度来处理旋转圆柱的摆动效应。此外，通过在低地球轨道上建造空间站和移除窗户来应对建造辐射屏障的后勤挑战[25][26]。2014年，有人提出了一种新的施工方法，即先将袋子充气，然后用线轴(来自小行星材料)粘贴，就像复合材料外包压力容器的施工一样。[27]

现实提案

2019年5月9日，在华盛顿举行的蓝色起源活动上，杰夫·贝佐斯提议建立奥尼尔殖民地，而不是殖民其他行星。[28][29]

图片库

  •  
    一个圆柱体从相互连接的圆柱体中生长出来
  •  
    美国宇航局的概念图片，多个栖息地圆柱面向太阳

参见

虚构

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 和讯名家. 太空星尘：NASA对未来生活的复古指南 -新闻频道-和讯网. news.hexun.com. 2016-08-28 [2019-12-01]. （原始内容存档于2019-12-01） （中文（中国大陆））. 
  2. ^ 如何设计一座太空城？_杰拉德·奥尼尔. www.sohu.com. 2019-07-30 [2019-12-01]. （原始内容存档于2021-01-10） （中文（中国大陆））. 
  3. ^ 重返月球并超越！亚马逊的贝佐斯公布了开创性的太空计划. new.qq.com. [2019-12-01]. （原始内容存档于2019-12-01） （中文（中国大陆））. 
  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 O'Neill, Gerard K. The High Frontier: Human Colonies in Space. New York: William Morrow & Company. 1977. ISBN 0-688-03133-1 （英语）. 
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  6. ^ O'Neill, Gerard K. The Colonization of Space. Physics Today. 1974-09, 27 (9): 32–40 [2009-04-19]. Bibcode:1974PhT....27i..32O. ISSN 0031-9228. doi:10.1063/1.3128863. （原始内容 (PDF)存档于2021-01-28） （英语）. 
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  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 如果人类移民太空，那么我们的太空社区是什么样的？-奥尼尔圆筒_网易订阅. dy.163.com. 2019-05-23 [2019-12-01]. （原始内容存档于2019-12-01） （中文（中国大陆））. 
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拓展阅读

外部链接

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