我的太空城构思

闫德睿

早在1926年，人类宇航之父齐奥尔科夫斯基就已经有了在外太空建造太空城的设想：在茫茫宇宙中，建立人类定居点，通过自旋产生人造重力，借助人工控制的方法使太空城内部温度、湿度、光照、气压、空气成分等条件适合人类生存。1975年，美国斯坦福大学教授奥尼尔提出了三种太空城设计方案：

伯纳尔球：

这种太空城是一个直径3.6千米的圆球，每一分钟旋转一圈。在“赤道”两侧有巨大的窗户，在球体外部放置镜子，把“阳光”射入球体内。一个伯纳尔球预计可以住1万人。

斯坦福圆环：

这种太空城是一个直径3.6千米的轮胎状圆环，每一分钟旋转一圈。在它的顶部用一块镜子把“阳光”反射到“轮胎”内部。一个斯坦福圆环预计可以住1万人。

奥尼尔圆筒：

这种太空城是一个直径约14.4千米、长度30多千米的圆筒，每两分钟旋转一圈。把圆筒侧面均匀地分成6份，3份为“窗区”、3份为“陆区”，穿插设置。窗区外有巨大的镜子，将“阳光”反射进圆筒内。一个奥尼尔圆筒预计可以住100万人。

这三种设计，都是通过调节镜子角度来改变季节，通过调节窗户上的遮阳板来完成白天和黑夜的交替。这些设计各有优点，但有3个共同的缺点是致命的：

1. 外壳的防撞问题

众所周知，太空中有大大小小的陨石，运动速度都很快。如果大型陨石撞上太空城，因为陨石动能很大，会导致太空城严重损坏，这对人类来说是致命的。实际上这种事发生的概率并不高，人类可以提前预估陨石的路径，可以击毁陨石或者移动太空城躲避，真正致命的是那些大小只有几厘米甚至几毫米的微型陨石。由于其速度极快，即使太空城外壳再怎么结实，也会被撞出一个小缺口。太空城内的空气和固体（土壤、沙子等）便会因巨大的压强差被吸走，最终结果就是太空城表面千疮百孔。人类花了巨大代价建设的太空城，当然希望能使用几千、几万甚至上百万年。

2. 辐射以及衍生的问题

地球上因为有大气层的保护，辐射水平在人类以及各种生物能承受的范围内。在太空中没有大气层这个保护罩，有科学家设想在太空城的“地”上先铺上两米以上厚的沙土，这样就可以将太空城内的辐射水平降到地球上的水平。但这种设计的缺陷也是显而易见的，首先就是上面说的，遭遇陨石撞击后沙土流失的问题；其次，很多动植物是喜欢向下生存的，比如老鼠、蚯蚓等。以老鼠为例，它一旦把洞挖到沙土底部，肯定还会继续啃食太空城外壳，这是啮齿类动物的特性，就算外壳没被啃穿，变薄的部分的辐射也会比太空城内“地表”的辐射高多了，日积月累，老鼠很可能会发生重大变异，说不定会变成对人类有巨大威胁的可怕物种。

3. 太空城对外的交通问题

综观以前的太空城设计，设计者都较少考虑其和外部（地球、其他太空城、其他星球）之间的交通问题。以奥尼尔圆筒为例，100万人口，每年能外出的人次很可能不超过10万人。相当一部分人可能一辈子也没有机会去其他太空城或星球，一个人在一个有限空间里生活一辈子，是很难忍受和想象的事。由于运输能力的限制，太空城内的几乎所有资源都要自我循环，几乎不与外界发生资源交换。这样一座“闭关锁国”的“孤岛”，对人类文明的延续和发展是极为不利的。

有一个名词叫塔斯马尼亚岛效应，简单来说，它是指人口太少的地方，在和外界无交流的情况下，文明会一点点退化。这个词来源于澳大利亚的塔斯马尼亚岛。在大约2万年前，一群原始人登陆那里，随着地质变迁，这群人和外界彻底隔绝了。世界其他地方的文明都在或快或慢地向前发展，而塔斯马尼亚岛的文明不仅停滞不前，甚至还退化了。那里的人们每过一段时间就会丢失一项技能，例如捕鱼、造木筏、做衣服，甚至连生火都要忘记了。等欧洲人到达那里时，一度以为这座岛上的人是介于人和猿之间的物种！

塔斯马尼亚岛效应说明，一个文明要想延续和发展，人口基数要尽可能地大，交流要尽可能地频繁。由此可见，就算太空城的人口达到十亿人，也很难保住现有的文明程度。太空城的封闭和塔斯马尼亚岛又有多少区别呢？一座孤独的太空城，也许在几万年甚至几千年后，其中的人类就已经退化到农业文明状态了。

怎样解决以上三个问题是极其重要的。为此，我设计了一种蜂巢式的太空城市群。它由一堆剖面为等边六角形的巢穴构成，每个巢穴能刚好放进一个奥尼尔圆筒。使用磁悬浮技术，能使奥尼尔圆筒不和巢壁直接接触（避免磨损）便能使圆筒进行自转，磁悬浮技术还可以改变圆筒自转的速度，以此产生不同的人造重力。在蜂巢各个单元之间的空隙，正好可以放置一些零重力工厂。

可以选几个巢穴作为对外交通的港口。在巢穴壁上开出大大小小的孔，每个孔都和管道相連。这些管道四通八达，可以连接到其他太空城和零重力工厂，从飞船下来的人和物资通过管道迅速到达指定的太空城或零重力工厂。蜂巢城市群生产的东西以及太空城的居民，也可以通过管道来到这里，搭乘飞船去到地球或其他星球和蜂巢。

管道可以仅供穿戴航天服的人在里面飘行前进，也可以在内安装磁悬浮列车作为连接各处的“地铁”或“高铁”。为了提高通行效率，可以规定部分管道为单行道，只能向固定的方向通行。

零重力工厂因为不需要自转，管道接通很方便。那这些不停旋转的太空城怎么和管道连接呢？可以在太空城圆筒的两端，做出一个同心的、半径500米（这是一个绝大多数人不会眩晕的尺寸）、宽几十米的凹进去的圆环型设计。管道的出口在圆环内，离环内壁有几厘米甚至几毫米，用磁悬浮技术可以让管道和圆环内壁并不直接接触，而此处只有太空城人造重力的7%。从太空零重力环境过来的人，可以先适应一下，然后从圆环内壁的各种“门”进入太空城内部。当然，物资也是通过这些“门”进出。

关于蜂蛹，也就是圆筒形太空城大小的选择问题：

小的可以参照伯纳尔球，设计成半径1.8千米，长度8千米左右，一分钟旋转一圈。这样建造的好处是体积小，施工容易，有损坏的话维修更换也方便；坏处是规模小，容纳的人口少，很多活动需要出城，比如上大学、就医等。此外，生态平衡也不容易控制，如果各项指标例如温度、湿度、含氧量等波动过大，人们的舒适度也会受影响。

反之，大的太空城容纳的人口足够多，绝大部分活动都可以在城内解决，但是建设周期太长，情况复杂，有损坏时维修更换也會非常麻烦。

所以综合考虑，选择奥尼尔圆筒大小的太空城较合适：半径7.2千米，长度30多千米，每2分钟旋转一周，平均容纳约200万人。大部分社会性事务例如教育、医疗、工作等可以在城内解决，大部分产品来自城内或者附近的零重力工厂。这样人们既能自力更生，也能和外界有足够的交流，生态环境波动也比较小，生活舒适度较高。

我设计的蜂巢式太空城市群有很多好处：

1.不同太空城可以有不同的重力、不同的气候、不同的景色。有的太空城是人口密集的大都市，有的则是一派田园风光；有的是海洋沙漠或是高山盆地，既保留植物多样性，又能成为野生动物乐园。太空城可以是春光旖旎、夏日炎炎，也可以是秋高气爽、白雪皑皑。居民们可以在太空城内工作，也可以去零重力工厂工作。业余时间，他们还可以通过四通八达的管道回家，或者去其他太空城休闲娱乐。

2.城市群的规模可以无限扩展，使人类文明不断发展。

3.辐射问题得到解决。每个太空城除了有自己的外壳，还有巢穴的外壳进行保护。越靠近中央的太空城，拥有的保护壳越多，受到的太空辐射也越少。

4.微陨石的问题也无需担心。虽然越靠近中央的太空城，安全系数越高，但即使是最外层的太空城，也因为有巢穴的外壳防护，让人们多了一份安心。

5.即使某座太空城因突然遭遇陨石、核泄漏、生物病毒、化学品污染等而损毁，人们也可以穿好太空服快速进入管道，转去其他太空城。损毁的太空城可以维修、拆解或重建。这样可以避免奥尼尔的三种太空城一旦出现危险，人们无处可逃的局面。

6.我设计的太空城放弃了奥尼尔圆筒的窗镜结构，内部全改为陆地。这样，使用面积增加了一倍，可居住人口也增加了一倍，还可避免太阳辐射波动的问题——在奥尼尔的设计中，尤其是伯纳尔球和斯坦福圆环这种小型太空城，大气厚度非常薄，太阳辐射的突然增加对居民的伤害不容忽视。

7.每座太空城内都有核电站，用来供居民生产生活。城内采用LED灯进行照明，光线强时就是白天，光线弱时就是夜晚。这种稳定性和安全性显然是太阳光照无法比拟的。北京航空航天大学刘红院士团队设计建造的月宫一号是空间基地生命保障人工闭合生态系统地基综合实验装置，它就屏蔽了太阳光，全部采用LED照明，构建出稳定的由植物、动物、微生物组成的人工闭合生态循环系统。

人们一般认为太空城应该建在拉格朗日点，认为这样维持运转所需要的能量消耗少。但我认为这个观点似乎过于理想化了。因为拉格朗日点毕竟只是一个“点”，这个位置实际上是很难把控的，会有所偏移，随时需要消耗能量去修正，所需要的能量消耗未必真的少。

考虑到在开始建设太空城之前，人类肯定要先在月球上建立规模足够大的定居点（居住人口起码得在千万级别以上，才有进一步建设太空城的需求），所以，太空城最初应该选址在绕月轨道上。

建设太空城需要大量的原材料，如果全部由地球运过去，那成本太高，所以可以先在月球上就地取材，月球上没有的，再由地球运过去。这样可以节省太空城的建设成本，也能加快建设的速度。

这时的太空城是一个纯“陆地”结构的奥尼尔圆筒，外带若干个零重力工厂。 同时，待火星开发得差不多且移民足够多时，可以在小行星带开始建设蜂巢，然后陆续把新建好的蜂蛹塞进去。当然也可以直接在巢穴内建设蜂蛹，这样不用担心航天员和物资飘移的问题。

把太空城建在小行星带，主要基于以下两方面的考虑：一是小行星带在火星外，在此建设太空城，它可以作为人类进军深空的中转站，位置非常合适；二是此处小行星众多，资源丰富。建设太空城所需的金属、岩石（粉碎后是沙土）甚至水，都能在这里找到，就近取材，方便建设。进一步来说，人类需要的冶金等工业也可以就近展开，甚至可以把很多资源运回地球和火星。

随着太阳的老化，地球和火星的温度会越来越高，越来越不适合人类生存，人类就需要继续向外迁徙。蜂巢式太空城市群可以一步步外迁，在太阳快要氦闪前，它应该就已经移到冥王星之外了。然后，它带上能带走的一切，离开太阳系，向已经找好的下一个家园从容飞去。

太阳系是人类的摇篮，但我们不可能一直待在这个摇篮里，总有一天我们要去征服星辰大海！带上地球去流浪的桥段，虽然鼓舞人心，但从科学角度来说并没有可行性。世代飞船是更佳的选项。也许在未来的某一天，全体人类会放弃即将毁灭的太阳系，乘坐庞大的“蜂巢”，带上所有的希望向宇宙深处进发。

专家点评

杜骏豪

闫同学设计的太空城值得肯定的点是将孤立的太空城优化为更复杂的模块化的太空城，为未来太空城在功能分区、扩建拓展等领域提供了新的解决方案。我看后倒是想，诸如截角八面体模块单元+四棱柱通道或是截角立方体模块单元+八棱柱通道的设计，很可能比六边形长管那样的模块更方便进行堆积与拓展。真期待在有生之年亲眼见到人类建立起一座魔幻的太空之城！

太空熊貓君

闫同学这篇太空城构想文章理论扎实、设计合理，蜂巢式模型同时满足了多种需求，规避了太空生活的主要问题，令人耳目一新。太空城的建设位置问题值得说一下。拉格朗日点作为日地系统中可以保持相对静止的特殊位置，其中的L4和L5两个点是非常稳定的，普通的扰动很难影响到位于此两点的小质量物体，所以太空城在那里，能耗真的很低。而把太空城放在小行星带则值得再考虑，因为小行星体积小并且互相之间存在引力，所以小行星的运行轨道很复杂且不容易监测，太空城在那里被小行星撞击的风险很高。

秦嘉政

关于太空城建设需要解决的几大难点，我想做一些补充说明：

1.人工重力。根据长期对轨道航天器上的航天员的身体检查，发现人在低重力下生活过久会导致肌肉萎缩和骨质疏松，从而影响人的健康。目前可行的方式是通过旋转产生人工重力场，从而克服失重的影响。但是更多的研究表明，如果旋转结构的半径太小或者转速过快，人在这种结构中快速移动，内耳将会产生错误的倾斜感，例如离心机实验研究表明，人在旋转半径小于100米、转速高于3圈/分钟的结构中会感到晕眩。所以太空城转速需要保持在1圈/分钟以下。

2.宇宙辐射。科学家们曾提出过若干种降低太空城内辐射水平的办法，其中比较合理的办法是采用一定厚度（1～2米）的人工岩石或水泥来屏蔽辐射，但是这大概会给每平方米增加4吨的重量；其次是使用水层进行屏蔽，7厘米的水深可以抵消一半的入射辐射，这个技术已经计划应用于国际空间站；更加激进的方式是使用主动偏转技术，利用高能电磁场使宇宙射线及带电粒子发生偏转（类似于电影里出现的能量护盾），这种技术目前还仅处于理论阶段，但此种技术假如成功应用，将大大减轻太空城的重量。

3.流星体和微尘埃防护。太空城没有地球上厚厚的大气层，所以陨石等流星体的威胁将会是致命的。为了提供防护，部分太空会有一层填充沙子等物体的保护壳，更加普遍的做法是，由上文提及的宇宙射线屏蔽层的岩石或者水泥外壳对微小尘埃进行防护，并使用太阳能卫星网络对太空城周围的空间进行三维测绘，及时对接近太空城的大型流星体采取修正措施，如回收或者击毁。另一种构想则是使用捕获的千米级半径的小行星，对其进行采矿挖空后直接建设太空城，这种方式相对更为廉价。

4.建设难点。计划中最小的太空城，其总质量也已经超越了人类进行航天活动以来所发射的所有航天器的质量总和。显然，从地球上运输物料去太空城是不切实际的。所以，太空城必须位于物料相对易得，且可以建造自动化工厂的地区。

5.人和物资运输。太空城一般在转轴处设置有物资交换港口，与地球上不同，太空城的主要交通方式将依赖于零重力交通，人和物资将可以较轻松地通过电梯、轨道系统提升至中轴，在中轴附近，物体的重力将变得很小，这时就可以高效完成对人和物资的运输工作。

航天面面观

闫同学思路清晰，所描述的蜂巢式太空城市群设计方案非常有创意和前瞻性，值得称赞。除了闫同学提出的3点，建造太空城还会面临很多其他问题，比如：

1.环境控制与生命保障。无论是建造空间站还是太空城，核心都是以人为本。这就必须要求建造一个舒适的环境，大气压、大气成分、大气温湿度等都要适宜。米、面、油、肉、蛋、奶……我们在地球上可以轻松获取的食物，在太空中生活的人们肯定也希望样样具备。以空间站的环境控制与生命保障系统为例，现在的技术只能维持几个航天员在太空的生活和工作，太空城里的人口达到上万甚至几十万、几百万，如何提供适宜人类生存的舒适环境？如何给生活在太空城的居民提供丰富、营养、安全的食物？

2.环境污染。目前在地球上面临的各种环境污染问题，在太空城的密闭环境下也会有，比如如何防止微生物和有毒有害物质的污染？

要建造一座太空城可不是一件容易的事。基于人类的现实情况，还应该思考这些问题：

1.谁来建？无论是在地球上建城市还是在太空建设空间站，都需要巨大的人力、物力、财力，建设一座庞大的太空城，谁来出资？谁来运营？经济基础决定上层建筑，确保太空城的经济可行性和可持续发展非常重要。

2.怎么建？建造太空城需要大量的材料，或许我们可以在月球或其他天体上获得一些建造的物资，但十分有限，大部分构建材料仍需从地球运输过去。有句话叫作“运载火箭的能力有多大，航天的舞台就有多大”，目前且在不远的将来，火箭的运载能力都不够强，运输成本高，建造太空城的成本将是个天文数字。要开发其他太空运输方式，如太空电梯等，也要考虑它们能降低多少运输成本、提高多少运载能力，是否很具有性价比。

星空浩瀚无比，探索永无止境。梦想还是要有的，万一实现了呢？太空城的构想激发了人们对未来太空探索的想象力。科学家和工程师们正在不断努力研究太空探索中的各种挑战，并寻找解决方案。虽然目前的情况离建成太空城还有很长的距离，但随着科技的进步和人类对太空的深入了解，太空城成为现实的可能性也逐渐增加。

在地球上看似平凡的事情，在太空中却变得异常困难，探索太空需要人们小心翼翼地迈出每一步。建造太空城是一种美好的梦想，从梦想回归现实，人们需要明白：人类只有一个地球！请不要忽视地球母亲的慷慨无私，我们必须要好好珍惜和保护它！

曾翔龙

闫同学对未来太空城建设的深入思考和想象非常值得鼓励和赞赏。在文中他将太空城想象为由许多奥尼尔圆筒构成的蜂巢式结构，增加了太空城的承载能力，同时也实现了更大范围内太空居民的交流，还在一定程度上增加了单一圆筒的抗风险能力，非常值得借鉴。

奥尼尔圆筒由离心力模拟重力，适合用于建造大型太空城。在闫同学的设计基础上，建议在圆筒的端部放置三个反射面，能够为太空城内部提供正对太阳时的光照，除此之外，其最大的作用是进行整个太空城的散热，尤其是对裂变甚至聚变发电机的散热。

一般认为太空城应当处于不同行星系统的拉格朗日点。因为从拉格朗日点出发的行星际轨道只需要非常少的燃料就可以到达其他拉格朗日点甚至是其他行星，这对于太空城的建设和对外交流来说十分有利。如果太空城不处在拉格朗日点附近，从太空城出发时，大多数燃料消耗在飞船飞离的过程中用于克服引力。巨大的太空城的质量产生的引力已经不可忽略，处在小行星带中将会将小质量的星体吸引过来，会对太空城造成破坏。因此闫同学提出的在小行星带建立太空城的可行性较低。

此外，建立太空城还有以下问题需要深入思考。例如如何构建如此大规模的生态系统，制造氧气、水循环，控制温度、光照以及自给自足生产出充足而丰富的食物等都是十分复杂的工程。地球上四季和多种气候的存在是物种多样、欣欣向荣的保障。美国生物圈二号失败的重要原因便是未能完全实现生物圈物质的循环，也无法提供充足的食物。另外，可能有大量不同国籍、不同语言、不同信仰、不同生活习惯的人类共同聚居于封闭的环境当中，如何调节居民心态，减少争端，维护多元化社会的稳定也是值得思考的问题。

或许我们距离建造如此大规模的太空城还有很长的时间，但是思考这些问题，能够使我们可以更好地认识我们的地球，更深刻地了解我们所处的社会。我们也将会更加珍视我们唯一的美丽家园。

王麟

闫同学的畅想文章令人耳目一新，充满着令人赞叹的想象力和设计能力。太空城设想是人类对未来的美好愿景，它带来了许多令人兴奋的可能性，然而，我们也不能忽視其中的缺陷。作为一名工程技术人员，我想着重探讨这种设想所面临的挑战。

1.建筑复杂。蜂巢式太空城的建设将是一个极其复杂的工程，涉及大量的材料、技术和人力投入。每个巢穴都需要精确的制造和组装，而每个圆筒都需要与巢穴精准配合，这可能会导致建设过程的成本和时间延长。蜂巢结构中涉及大量的连接和交叉点，这些连接点容易受到磨损和损坏。维护这些连接点可能需要复杂的机器人技术和太空行走，增加了维护的难度和风险。

2.生态问题。太空城的生态平衡控制是一个极具挑战性的问题。在封闭的空间环境中，人工控制温度、湿度、含氧量等参数不仅需要高超的技术，而且也容易受到外部因素的干扰。一旦生态系统出现波动，将直接影响到居民的生存状态。因此，确保太空城的生态平衡需要持续的科学研究和技术创新。

3.通信问题。太空城的通信与交流也是一个关键问题。尽管设想中存在着四通八达的管道系统，但确保管道的安全、高效运作以及与外界的联系，仍然需要克服诸多困难。更进一步来说，太空城之间的交流与合作将面临距离和时间上的巨大限制，这可能导致城中部分区域的孤立和信息不对等。

4.建设维护。太空城的建设和维护成本也是一个不容忽视的问题。庞大的基础设施和高科技设备的需求将使得太空城项目成本高昂，这对于国际合作和投资也提出了巨大的挑战。而且，随着时间的推移，城市的维护和更新将需要更多的资源，这需要在长期计划中加以考虑。

只有通过持续的研究和创新，以及充分考虑太空城的可行性和稳定性，我们才能真正实现这一壮举，让太空城成为人类未来探索宇宙的伟大舞台。

吴卫

在与地球环境迥然不同的太空中，人们会建造出什么样的太空城呢？很多科幻电影给出了答案。

在奥尼尔教授提出的三种太空城方案里，我想导演们比较偏爱的应该就是斯坦福圆环了。1968年库布里克导演的电影《2001：太空漫游》中的太空城就是圆环状，有趣的是，库布里克的电影比斯坦福圆环这个概念还要早出现好几年。多年以来，导演们对其念念不忘，例如在好莱坞电影《极乐空间》中，太空城也是个斯坦福圆环。

太空城可以说是个超级大空间站，所以在很多影视作品里，也直接以空间站命名，例如电影《星际迷航：超越星辰》中的约克郡号空间站、《流浪地球》里的领航员国际空间站。

说起影视作品中最具幻想的、真正可称之为太空城的，我想要数从最早的人类空间站渐渐发展起来的千星之城阿尔法吧。在电影《星际特工：千星之城》中，通过不断融合、扩建，阿尔法成为一座繁华的星际大都市，那里不仅有人类，还有很多奇特的外星生物呢。