Какова наиболее логичная форма моего города в космосе (космическая станция)?

Трубчатая форма будет вашим лучшим выбором

Космические станции дороги в производстве, поэтому предпочтение будет отдаваться тем формам, которые эффективны для достижения поставленных целей.

Одной из целей космической станции является гравитация. В большинстве научно-фантастических книг используется источник силы, подобной гравитации, потому что существует слишком много свидетельств того, что люди плохо обходятся без него. За исключением вымышленных гравитационных двигателей, центростремительное ускорение — самый простой ответ.

У центростремительного ускорения есть интересный недостаток. Как обсуждалось в «Свидании с Рамой », любое вращение также вызывает надоедливого родственника центростремительного ускорения — эффект Кориолиса. Кажется, у человеческого мозга с этим проблемы (хотя мало исследований того, как бы мы справились с этим, если бы выросли на станции). Решение всегда состоит в том, чтобы поддерживать низкую угловую скорость, чтобы минимизировать Кориолиса. Это означает большие радиусы для получения желаемой «гравитации».

Для самых маленьких станций такого рода популярны кольца. Обычно хочется иметь много места на одной общей силе G, поэтому большая часть вашей станции должна быть на радиусе от центра вращения. Это сводит к минимуму количество материалов на единицу объема при 1G. Часто это поддерживается «лифтами», которые проходят через центр вращения, чтобы замкнуть накоротко большое расстояние вдоль кольца.

По мере того, как станция становится больше, а транзит становится все более серьезной проблемой, возникает желание расшириться во втором направлении. Кольцо расширяется, превращаясь в вращающийся эллипс вместо вращающегося круга, больше похожего на ремешок наручных часов. Этот переход от «максимизации объема пространства до 1G» к «уравновешиванию объема пространства на уровне 1G с расстоянием между точками в городе» отделяет простые кольца от этих расширенных колец.

В какой-то момент кольцо становится настолько широким, что принимает другую форму: цилиндрическую трубку. Кольцо должно поддерживать материалы, способные работать под давлением, со всех сторон. Поначалу это эффективно, но когда кольцо становится достаточно широким, начинает казаться, что нужно сбросить лишний материал. Станция начинает выглядеть как {стена} давление-пространство {стена} вакуум-в-центр-оси {стена} давление-пространство {стена}. На самом деле он начинает выглядеть как цилиндр, но без торцевых крышек и двойных стенок на остальной части. Если вы снимете кожу с торцевых крышек и создадите давление на всю область, вы можете убрать половину стен. Если кольцо широкое, это может быть существенным благом.

Рама Артура Кларка был такой формы и размера. Это было 54 км в длину и 20 км в диаметре, которое вращалось с периодом 4 минуты за один оборот. Это разумный размер для городского космического корабля.

Из этих форм явно отсутствует сфера. Это из-за желания иметь постоянную «гравитацию» на больших площадях. Сферы отлично подходят для отношения материала к объему, но они имеют постоянно меняющийся радиус при изменении «широты», что может быть нежелательно. Однако, если кто-то чувствует себя комфортно с такой разной гравитацией, сфера — самая эффективная форма, которую вы можете иметь.

Тороидальный.

Потерпите меня здесь. Это потребует некоторых объяснений, но, может быть, я смогу объяснить сам.

Шохет и Корт Аммон решили проблему правильного вращения станции. Цилиндр, вероятно, является самым простым решением этой проблемы, потому что его легко построить и обслуживать. Проблема, однако, в том, что вскоре становится трудно добраться из одного конца в другой. Как вы упомянули, Корт Аммон,

По мере того, как станция становится больше, и транзит становится все более серьезной проблемой [.]

Это будет огромной проблемой, если вы хотите построить город. Вы можете сделать станцию ​​в форме диска (чтобы сохранить аспект вращения и, следовательно, гравитацию, облегчив при этом переход из одного места в другое), но для этого станция все равно должна быть большой. Это будет похоже на гигантский блин. В конце концов, вы захотите выдавить его в цилиндр.

Мое решение (не зависящее от предложения Шохета и реализованное совершенно по-другому) — создать тороидальную космическую станцию. По сути, это берет цилиндры Скохета и Корта Аммона и сгибает их так, чтобы концы сошлись. Вуаля! Вы можете легко обойти. Причина популярности тороидальных космических станций, как сказал Шохет, в том, что их можно вращать вдоль оси, проходящей через открытый центр тора. Моя идея немного другая.

Поперечное сечение тора – это окружность. Вы можете довольно легко построить тор, начертив круг на декартовой плоскости и вращая его вокруг некоторой линии (вы можете вычислить его свойства с помощью исчисления). Дело, однако, в том, что вы можете разбить тор на ряд окружностей. Это можно использовать для создания искусственной гравитации. Вместо того, чтобы вращать всю космическую станцию ​​вокруг одной оси, я бы вращал множество меньших круглых сегментов вдоль оси, проходящей через центр каждого сегмента. Это создаст искусственную гравитацию со всех сторон тора. Вращение тора вокруг его центра не создаст такого эффекта, потому что «верх» и «низ» не будут затронуты. Преимущество этой конструкции в том, что она создает искусственную гравитацию по всему периметру .части поверхности - что необходимо, чтобы разместить всех на космической станции размером с город!

Идея имеет свои плюсы и минусы, конечно.

Плюсы:

• Искусственная гравитация где угодно. Я действительно настаиваю на этом, но есть еще одно преимущество: вы можете вращать каждый сегмент с разной скоростью, обеспечивая разную гравитацию (или вообще без гравитации). Подумайте о том, насколько это было бы полезно для космической станции, населенной множеством разных инопланетных рас. Каждый привык к планете с разным гравитационным полем. Если бы у вас была космическая станция с одной силой искусственной гравитации, большинство было бы недовольно. Здесь это исправлено. Примечание. С таким же успехом можно разбить цилиндрическую станцию.
• Вы можете добраться почти куда угодно довольно легко. Часть моей мотивации для этой конфигурации заключалась в том, что вы не можете легко добраться из точки на одном конце цилиндрической космической станции в другую. Конечно, эту проблему можно решить путем планирования, то есть проектирования станции таким образом, чтобы людям на одном конце не нужно было переходить на другой. Но, вероятно, лучше всего сделать все области одинаково доступными. На этой станции все, что вам нужно сделать, чтобы добраться из одной точки в другую, — это просто пройти через центр каждого сегмента. Вы также можете преодолеть центральный разрыв, создавая «мосты» от каждого сегмента к другому.
• Он компактный. Допустим, вы хотите построить цилиндрическую космическую станцию ​​площадью 10 кубических миль. Вам также нужен радиус в полмили, чтобы упростить создание искусственной гравитации, которую вы хотите. Формула площади поверхности цилиндра:$V=2 \pi r^2 + 2 \pi r h$; некоторая алгебра оставляет нас с$h=\frac{10 - 0.5 \pi}{2 \pi (0.5)}= 2.68$миль. Это довольно долго. Тор той же площади немного короче. Формула поверхности тора$4 \pi ^2 (Rr)$, куда$R$это радиус круга, длина окружности которого эквивалентна высоте цилиндра и$r$это радиус круглого сечения. Это объяснено лучше на этом графике:

$R$– радиус розового круга;$r$это радиус красного круга. Мы устанавливаем$r$до 5 и найти

Минусы:

• Не легко построить. Трудно построить круг или цилиндр из-за их изогнутых сторон. Это еще сложнее в случае тора, потому что у него много изогнутых сторон. Это очень нерегулярно. Лучше всего построить его в сегментах, которые будут использоваться для создания искусственной гравитации.

Честно говоря, я думаю, что плюсы здесь перевешивают минусы.

Позвольте мне закончить, обратившись к некоторым конкретным вещам, которые вы упомянули в своем вопросе.

Зависит ли это от того, что находится на орбите выше (если вообще есть)?

С точки зрения логистики, да. Вам необходимо пополнить запасы любой станции, которая не является самодостаточной. Однако это просто проблема для всех предложенных идей, а не только для этой. И этого можно избежать, сделав станцию ​​полностью самодостаточной. Я намеренно неточен здесь, потому что есть много факторов, которые могут повлиять на решение этой проблемы.

В своем ответе, пожалуйста, учитывайте факторы, которые влияют как на его создание, так и на его обслуживание. Если один дороже построить, но будет дешевле в обслуживании, то, возможно, в конце концов он все же лучше.

Я не думаю, что будет огромная разница в расходах между различными идеями. Тебе нужно иметь$X$доллары/песо/фунты/иены/евро для обслуживания станции заданной площади. К сожалению, все эти станции с искусственной гравитацией должны иметь одинаковую площадь поверхности, так что это не изменится.

Недавно Петерис сказал

Хм, как вы предлагаете вращать секции тора? Тор нельзя составить из цилиндрических сегментов без зазоров и перекрытий; в торе «внутренняя» часть каждой секции уже, чем внешняя, и не может вращаться вдоль красного круга на вашем рисунке.

Я совершенно забыл об объяснении этой части. Моя «тороидальная» космическая станция не была бы идеальным тором. Как я уже сказал, он будет состоять из сегментов. Однако я не объяснил, что отрезки будут ближе к цилиндрам, чем срезы тора. Подумайте о маленьких цилиндрических деталях, соединенных клиньями. Каждая деталь вращается, создавая искусственную гравитацию. Тор не идеален; это приближение.

Почему вы предпочитаете кольцо (или тор) трубе (или цилиндру)? Во-первых, вы бы предпочли любую из других форм, потому что они вращаются. Если вы не вращаетесь, нет смысла ни в одной из форм. Вот почему Международная космическая станция (МКС) не является ни трубой, ни кольцом. Это просто набор модулей, склеенных вместе. Он немного ближе к форме трубы, но на самом деле он больше похож на ряд зданий, соединенных туннелями. Таким образом, основная причина выбора кольца или трубки заключается в том, что вы можете их вращать.

Вымышленный Deep Space 9 (DS9) имеет те же проблемы, что и МКС. Оно немного похоже на кольцо, но на самом деле им не является. Люди живут в центре DS9, а не по краям. Это потому, что DS9 не нужно вращаться, чтобы создать гравитацию. У него есть искусственная гравитация, которая работает способом, неизвестным нашей физике. Если мы действительно построим кольцеобразные космические жилища, вряд ли они будут похожи на DS9. У них будет больше по краям и меньше в середине.

Основное преимущество кольца состоит в том, что оно может быть меньше трубы того же радиуса. Вы хотите максимизировать радиус, потому что гравитация создается иллюзией центробежной силы, то есть силы, направленной от центра вращения. На самом деле это вымышленная сила, так как настоящие силы инерционные (в направлении вращения) и центростремительные (от пола, удерживающие вас от следования за инерционной силой). Увеличение радиуса уменьшает побочные эффекты вращения (например, эффект Кориолиса). На маленьком радиусе вы постоянно меняете направление. Больший радиус делает изменение направления более постепенным.

Легче сделать кольцо, в котором используется меньше атмосферы. Можно сделать трубку с другой трубкой внутри, но при аналогичном расходе материала можно сделать кольцо большего радиуса. Кольца обычно изображаются с полым центром или со спицами. Вы можете сделать диск вместо кольца, но тогда в середине будет много неиспользованной атмосферы. Можно предположить, что кольца дешевле в атмосфере, а цилиндры дешевле в конструкционном материале.

Есть основания полагать, что конструкционный материал легче получить в космосе, чем в атмосфере. В частности, мы можем добывать строительный материал из пояса астероидов, в то время как для получения атмосферы нам пришлось бы добывать кометы, луны или планеты. После Земли Венера является ближайшей планетой. Все остальное находится на орбите Юпитера или дальше. Кометы могут подойти ближе, но они малы и движутся сравнительно быстро. Так что мы бы потратили много энергии, чтобы соответствовать скорости. Кольца Сатурна могут быть лучшим источником, но они находятся далеко и все еще частично находятся в гравитационном колодце.

Кольцо обеспечивает большую структуру. Обратите внимание, что вращение больше всего повлияет на объекты, которые прикреплены к «земле» или полу, а затем на объекты, которые покоятся на полу, и меньше всего повлияет на такие вещи, как атмосфера. Очевидным результатом будет то, что сторона здания, обращенная к вращению, будет иметь более плотную атмосферу, чем стороны или подветренная часть. Насколько это будет проблемой? Какие погодные побочные эффекты могут возникнуть?

Было бы проще запустить лифт из точки в точку по кольцу, так как там уже есть структура (спицы кольца). С цилиндром было бы сложнее, так как вам нужно было бы создать структуру для лифта. Однако цилиндры более компактны, поэтому может быть проще провести более короткую дорожку вдоль края цилиндра, чем через середину кольца. Вы также можете летать в цилиндре.

Кольцо, скорее всего, будет вынуждено использовать искусственное освещение. Кольца имеют слишком сложную структуру, чтобы хорошо работать с окнами. Цилиндр можно сконструировать так, чтобы окна регулярно пропускали свет. К сожалению, их скорость вращения не поддерживает смену дня и ночи, поэтому неясно, будем ли мы это делать. Мы могли бы дать ночной цикл, «закрыв» окна. Это либо преимущество цилиндров, либо не имеет значения. Возможно, оба используют искусственное освещение.

Настоящая правда в том, что мы не знаем, предпочитаем ли мы кольцо цилиндру. К сожалению, у нас никогда не было ресурсов, чтобы попробовать любой из них. Наша нынешняя Международная космическая станция не имеет искусственной гравитации. У нас нет реального понимания того, когда простота более широкого кольца цилиндра перевешивает преимущество уменьшения побочных эффектов от большего радиуса. У нас нет опыта того, как любой из них повлияет на атмосферные эффекты.

Наше лучшее предположение состоит в том, что мы начнем с колец, так как их легче построить для меньшей емкости. По мере роста наших потребностей мы переходили на цилиндры, так как на них легче перемещаться из точки в точку. Поэтому для чего-то достаточно большого, чтобы быть городом, более вероятно, что оно будет цилиндрическим. Но на данный момент это остается предположением, поскольку у нас нет опыта ни в том, ни в другом.

Я бы предположил, что города в форме труб были бы лучшей обстановкой для города, потому что было бы намного проще путешествовать и перевозить материалы по городу, если бы все, что вам нужно было настроить, это ряд лифтов, которые поднимаются и опускаются. , вместо тележки на странной трассе, которая ездит по вашему кольцу.

Заметка о создании парящих городов:
большинство научной фантастики, которую я читал, предполагает, что форма тора (кольцеобразная, а не форма Тельца ) является лучшим расположением городов в космосе, потому что вращение их вокруг их центра может дать ощущение гравитации через центростремительную силу — в основном, когда конструкция вращается, жители прижимаются к внутренней стороне внешней стены, чтобы имитировать гравитацию. Это также возможно с трубчатой ​​конструкцией.
Но если вам нужна гравитация, убедитесь, что она вращается .

TL;DR: Ни то, ни другое. Проще всего было бы заселить астероид, маленькую луну, псевдопланету или комету.

Более длинное объяснение: космические станции (неизвестного далекого будущего) будут большими . А это значит, что нам нужны ресурсы. И тратить их не вариант. Мы не можем позволить себе потерять их на нашей родной планете. И необходимые ресурсы сводятся к тому, где будет построена станция.

Построен в космосе

Это означает, что нам придется либо путешествовать на большие расстояния, чтобы достать необходимые материалы и доставить их на нашу фабрику, либо нам придется доставлять их с планеты. В обоих сценариях мы теряем много времени и тратим много ресурсов только на транспортировку полуфабрикатов и деталей.

Построен на поверхности

Независимо от того, на какой поверхности мы его строим, нам нужно вывести все это на какую-то орбиту или в какое-то место, где оно остается (относительно). Опять тратим ресурсы. Может быть, даже больше, так как конструкция, вероятно, должна будет левитировать и подниматься в нужное положение.

Заселение астероидов

В зависимости от строительных материалов, мы можем найти много необходимых ресурсов на месте. У нас также есть готовая внешняя оболочка. И в зависимости от массы мы могли бы легко вращать его. Кроме того, они бывают разных размеров, и в них можно быстро просверлить кольца и трубки, герметизировать стены жидким бетоном (или аналогичным материалом, смешанным с уже имеющимся гравием). Примерно так же, как сейчас мы прокладываем туннели через горы. О, и его легко заменить , как показала нам природа.

На домашней странице НАСА есть интересный документ о небольшой космической станции-городе под названием Астен. Хотя я недостаточно понимаю, чтобы следить за всеми деталями, это звучит разумно и касается не только вопроса строительства (форма/материалы/и так далее), но и таких вещей, как инфраструктура и поставки для населения.

Поскольку я не могу надежно сжать 93 страницы, вот ссылка:

http://www.nss.org/settlement/nasa/Contest/Results/2009/ASTEN.pdf

Только в качестве формы космической станции они предлагают цилиндр, построенный из отдельных колец.

Думаю, дело в искусственной гравитации .

Тор можно заставить вращаться с нужной скоростью, и в этом случае центробежная сила будет выталкивать его наружу и создавать ложную гравитацию снаружи кольца. Космическая станция 2001 года делает это.

В случае с цилиндром , если город находится в пути к другой системе, он может ускоряться с постоянной скоростью 1G (~ 10 м/с/с), и тогда будет искусственная гравитация по направлению к задней части судна. В этом случае полы можно укладывать поперек направления движения. Судно такого типа будет ускоряться к месту назначения, а затем на полпути выполнять маневр, чтобы развернуться, а затем замедляться с той же постоянной скоростью, пока не достигнет места назначения. Такой корабль мог бы провести в космосе несколько поколений.

ИМО, это два наиболее реалистичных сценария.

В качестве альтернативы, судно в пути также может быть настроено на вращение и может иметь полы внутри него, спроектированные так, чтобы иметь изгиб, который соответствует уравновешенным силам где-то между центробежными силами и ускоряющими силами.

Обратите внимание, что станция DS9, изображенная выше, не использует ни одно из них, вместо этого полагаясь на некоторые другие фиктивные устройства генерации гравитации. Насколько я знаю, нет известного способа создать такую ​​гравитацию.