[科普中国]-O'Neill Cylinder太空舱

背景

人类早晚有一天要居住到太空里，不仅为了临时到那里工作，而是永久地在那里生活下去，这并不是什么最新的创意。在20世纪初，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基已经考虑过这种可能性，继之，30年后，英国物理学家约翰·戴斯蒙德·波尔诺(JohnDesmond Bernal)做出构想，之后，很多科学幻想作家纷纷写出它们的奇思妙想。这些小说家们并不花时间讨论建设和管理太空殖民地的细节，照他们的设想，那样的工程项目只是遥遥无期未来的事。

在20世纪70年代初，在普林斯顿的美国物理学家，杰拉德·奥尼尔(Gerard 0’Neill)重新发掘了这些设想，并在他的学生的协助下，进行了定量的研究。结果令人信服，他认为这样的工程项目可以变成现实，并依据研究结果写成一本书《最前沿》(The High Frontier)。该书在1977年出版后，受到美国公众的广泛赞誉。2

按照奥尼尔的观点，人们之所以终究要居住到太空中，有多种理由。首先，工业生产活动可以集中到那里去。这就可以避免了继续的环境污染，避免耗尽地球资源；其次，对于地球日益增长的人口来说，太空可以提供迫切急需的生活空间；最后，在太空可以建立一种全新社会体制，不受地面政府的约束，最终实现古老的乌托邦的梦想。有人认为，这样的论述太过于天真。评论者认为，只要实行计划生育、加强工业生产的管理、为了改善社会环境大家一起做出努力，同样的目标在地球上也可以实现。可是，人类长期的历史经验反反复复地多次证明，这样的想法比起移居太空，更为天真、更为幼稚、更为乌托邦。我们已经证明，我们可以掌握在太空中航行和工作的问题。然而，我们并不能证明，我们可以掌握我们自己生活中光怪陆离的方方面面。1

简介1974年，普林斯顿（Princeton）的物理学家杰拉德·K·奥尼尔（Gerard K. O’Neill）撰写了一篇论文，这篇论文会启发未来数年的多项计划。奥尼尔专注于将人类文明带出地球，落户宇宙。他计划建造大型外太空殖民地，让人们生活在一个巨大的圆柱体中，即奥尼尔圆柱体（O’Neill Cylinders）。他的设计堪称未来主义思想的巅峰之作。

奥尼尔圆柱体是一种巨型玻璃管道，长达30千米（20英里），每一个都将悬浮在月球轨道的第5拉格朗日点（L5）上。

奥尼尔的大圆筒围绕着自身的轴线旋转，每分钟一次，在环形的内壁模拟出地面的重力(人工重力)。可是它的周期太短了，不足以构成正确的昼夜循环。为了达到昼夜的效果，作了一套巧妙的安排。在圆筒外面安排3块铝制镜面，跟着圆筒一起旋转。沿轴向，在圆柱面上开了3扇大窗，镜面反射的阳光透过窗玻璃射入殖民地。每一扇窗恰好正对着殖民地内的一块生活区，也就是说整个圆筒包含3块生活区，中间隔着3块透明的大墙。这6块面积都是一样的。白天的长度就是利用打开和关闭这3块镜面进行控制。到了夜晚，镜面就覆盖在透明的墙面上。这一套安排，也可以控制殖民地内接受到的太阳能量的大小，以便调节平均温度和模拟季节变化。

太阳能接受板布置在圆筒的一端，提供殖民地所需的能源。系统的轴线指向太阳，以保证接受板面永远正对着日光。一个孤零零的圆筒难以维持到如此恰当的位置。由于月亮和地球的重力作用，很容易失去稳定状态。奥尼尔提出了一套更能保障稳定的装置方案，将两个圆筒连接到一起，并使他们按照相反的方向旋转。这样就不必配置用于起均衡稳定作用的火箭。镜面组能为两个圆筒造成季节变化，一个处于夏季，另一个处于冬季。其中的居民可以很容易地从这个季节走到另一个季节，以享受几天气候迥异的假日。

圆筒内，整个充满了大气，再加上厚实的筒壁，用以保护其中的居民不受太阳风和宇宙射线中的粒子侵袭。在其中，没有地震、没有火山爆发、没有水灾，也没有狂风暴雨，惟一能够降临在他们头上的自然灾害就是小行星的撞击。这样的物体在太空，以几十千米每秒的速度飞行。幸运之极，遭遇它们的几率，随被撞击物体的质量减小而急剧减少。在地球附近，在1000平方千米的面积上，大约每100万年只能碰上一块质量大于1吨的小行星。质量大于10克的投射物就可以把圆筒上的玻璃屏幕打穿。而这样的流星体比质量重大的要频繁得多。同样在1 000平方千米的面积上，每年都会碰到一个。由于圆筒内大气的质量相当大，不至于在短时间内大量逸出，所以有充分的时间进行修理。只要持续不断地监视着这些玻璃窗，即使极其轻微的这类事故，也能立即发现，及时修理。因而小型撞击是可以承受的。

生活区的人们由附近大圆筒获得生活资料供应，那里是专门的农业区和畜牧区。这些圆筒农场的重力作用轻微、气候温暖潮湿。在如此良好和肥沃的环境里，树木、水果和蔬菜不需要杀虫剂。绝大部分的工作都由遥控的机器人来完成。在各个不同的圆筒农场内，可以适时交错地安排成特定需要的季节，居民们全年都可以获得不同季节的新鲜产品。1

建造奥尼尔的太空殖民地将建立在地球月亮系统的拉格朗日点L4和L5上。这样，从地球或从月球同样都可以进行访问。任何物体，只要位于其中某个点的附近，即大约半径为50000千米的范围内，则由于地球和月球的重力作用，就会处于一条稳定的轨道上。对于大量的殖民地来说，这是一处理想的选址。如果首次试验性的入住成功，那么大量各种规模的奥尼尔圆筒居住区，将快速增加。在该范围内的总人口将有可能达到几十亿。

建设太空殖民地需要非常巨大数量的物资材料。即使体积最小的圆筒居住地，其总重也要超过50万吨，其中占比例最大的要算框架和底板。这些材料并不能完全依靠地球供应。奥尼尔建议利用电磁投射器，从月球运过来。他在普林斯顿建立了若干个小型的原型，深入地研究过科拉克的月输床(Lunartron)，并且得出结论，利用月输床这种方式，对于人口超过10万的模型并不适用，因为需要的材料数量太大，那得需要几千万吨的运输量。在这种情况下，他建议从太阳系的其他地点采集物资，就是从小行星上采集。这是经常飞向地球的空间物体。

奥尼尔估算了首座太空殖民地的费用，约为300亿美元，相当于阿波罗计划的费用。再增建新的殖民地，每一套的花费将会有所减少，因为一大批的人员和装备已经到位。按照奥尼尔最初的估计，首批殖民地将在20世纪80年代末开始，那么到了21世纪初，那里应该已经有几万人在生活了。1