宇宙殖民地

宇宙殖民地（Space colony、Space settlement、Space city、Space habitat），又称太空殖民地、宇宙殖民岛、宇宙岛、空间城、宇宙都市、太空城市、太空居民点、太空岛、太空站，是二十世纪科学界提出的在宇宙空间中建立一个仿似地球，且适合人类居住的空间，成为太空移民的热门方案。

现在的模式一般是在1969年美国普林斯顿大学教授杰瑞德·K·欧尼尔所提出方案定型，计划因种种原因未具体实现，但在许多科幻作品如机动战士GUNDAM、超时空要塞、星界的纹章、拉瑞·尼文的已知空间（如环形世界）系列、巴比伦五号、极乐世界 (电影)等中已被引用。

## 概要

构想中早期的宇宙殖民地被设置于地球与月球轨道之间，万有引力互相平衡的区域，即法国天文学家拉格朗日所计算的拉格朗日点。在殖民地内部可用人工重力（借由自转的离心力来模拟重力的作用）重现地球的自然环境。

### 自然环境

构想中的宇宙殖民地中可以模拟地球中的大气，先进的类型有平原、高山、河川、河流、海洋等，造成自然的水循环，而且会种植植物，以吸收二氧化碳及提供氧气，还会饲养各种的动物，造成食物链，为人类提供食物和水等必需品。所有的东西都能自我循环，使人们能在模拟地球环境下生活。

### 能源来源

宇宙殖民地主要的能源来自太阳能，由于太空环境中不受地球大气和日夜变化影响，可高效率直接吸收太阳能，因此利用太阳能多半能提供足够的能源。

如果在远离太阳的轨道上或有移动需求，可以使用核能或反物质与其他能源技术来辅助（理论上不适用会耗损空气的类型）。

## 构想起源和目的

宇宙殖民地的构想起源自十九世纪科学界，在人类实现了宗教和神话中种种不可思议的事物后，开始对寓言中勒皮他，冀望在字面上实践，也有希望作为逃避未来发生的世界性大灾难和战争的场所，提出了人以活着的肉体逃离尘世的念头。

但实际上只有极少数人有兴趣实践，因为世俗主义的盛行和对大自然的热爱，而厌恶把人类为了灵性挤身于较小的人造场所过着纪律的生活，而希望在地球上解决问题，或至少在其他行星上开拓。

到冷战时期，当时曾经被视为解决地球人口爆炸以及自然资源枯竭等问题的解决方法之一，但随着冷战结束，各国对航天开发的投资减少，以及先进国家出生率降低等变化，直到目前为止仍未具体实现。

## 各种设计方案

虽然太空居民点并未实现，但有很多方案其实已经很成熟，理论上当代可以建造，主要是财力和配套的前哨性设施并未完成，但另一些完全是科幻的产物。

### 当代科技的设计

<image>

主要是放大了的旋轮太空站，使用离心力产生人工的重力，一般适用于本体质量较小的设计。

岛一型（Island One）：贝纳尔球体（宇宙殖民地）又称为贝纳尔球体(Bernal sphere)，是记念早年英国科学家与科幻作家约翰·贝尔纳，他在故事中虚构未来的人乘搭像这样的星舰穿梭宇宙。是由一个直径500米的球体为中心，向两侧延伸出环状农业模块、反射镜与太阳能板的结构，形似哑铃。以每分钟1.9圈转速旋转使球体赤道拥有足够的重力，中间球体为居住区，形似山谷的空间约能提供1万人口的生活与娱乐空间，阳光经由两端反射镜导入极地窗户照入球中。球型设计的优点在于气压分布、质量效率和辐射遮屏的效果极佳。

<image>

- 岛一型与内部结构

<image>

- 岛一型内部预想图

岛二型(Island Two)：岛二型实为加大版的岛一型，球体直径加大到1.8公里，转速降至每分钟1圈，可容纳人口提升到14万人，并有助于增设工业设施。岛二型有以下衍伸变化型。

史丹佛环面(Stanford torus)：史丹佛环面是引用岛二型的概念，但构造截然不同，其改用一个直径约1.8公里的环管取代球体，形似甜甜圈，环管与球体相比省去了低重力不易运用的极地区域，提高空间运用率并节省建材，与球体相比提高运用效率。以每分钟1圈转速使管壁可有0.9～1G的重力，细长的环管为主要生活区与农业区，其生活环境像似座冰河谷，人口可容纳1万～14万人。阳光由反射镜反射至中间再照往环管，环管由数条连结线连至轴心，由于轴心几乎无重力且与管各点距离相等，可做为太空港与不需重力的产业区域。史丹佛环面有被些虚拟作品采用，如2001太空漫游的太空基地、《机动战士高达 UC》中的拉普拉斯空间站，也成了旧版微软Windows的预设桌布的太空背景。而在UC 同系列的GUNDAM W中大多数太空居民点都是这种，但尺寸放大到直径十几公里。

毕夏普环(Bishop Ring)：毕夏普环像是个以奈米碳管构成的超大版史丹佛环面，是一个半径1000公里，宽度500公里的圆环体，拥有高度200公里的大气保留墙。此设计够巨大所以可以是无顶式向内边缘上开放。

<image>

- 史丹佛环面外观

<image>

- 史丹佛环面内部结构

<image>

岛三型(Island Three)：岛三型又称为欧尼尔圆柱体（以美国物理既天文学家杰瑞德·K·欧尼尔为名），由两座直径8公里，长32公里的圆柱体组成，两座圆柱以反方向旋转以抵销陀螺效应以免无法对准太阳，端点以轴连结并以每小时28圈转速产生重力。圆柱壁面被划分六个等面积的区域，三个窗户做为透光区，另外三个墙壁作为居住区，人口能容纳上百万人，阳光经由三片巨大反射镜反射至窗户照进对面的墙壁，还能产生天气变化，圆柱轴心无重力可做为游乐设施。圆筒外连结一座直径16公里的环状农业模块，轴心则做为工业区与太空港。在钢弹中出现的宇宙殖民地多为这型，主要在U.C.出现。岛三型有以下衍伸变化型。

路易斯一型(Lewis One)：路易斯一型为半径250米长450米的圆柱体，内有几座农业用内筒，有非旋转辐射屏障保护微重力工业区。

卡拉帕纳一型(Kalpana One)：卡拉帕纳一型为半径250米长325米的短圆柱体，内有几座农业与休闲用内筒，辐射屏障保护以10 t/m2旋转。

麦卡德筒(McKendree cylinder)：麦卡德筒是由奈米碳管构成的岛三型强化版，半径加大到460公里，长度也加到4600公里。

波拉

串联栖地

太空坚果II：由直径1.9公里的两座锥面组成，外侧可安置太阳能板。

泡沫世界(Bubbleworld)

小行星型：挖掘小行星内部改造成宇宙殖民地，优点是不用困扰建材问题。

### 科幻故事的设计

- 宇宙都市船或宇宙方舟：本身兼具星舰机能，适合于长途航行的宇宙殖民地，首创于英国作家贝尔纳（Bernal即上面的岛一型起名出处）的小说《The World, the Flesh and the Devil》直译“世界丶人丶魔鬼”中太空船城市。近作有日本动漫Macross系列中的同名飞船和玻璃舰队的领土舰，小说星界的纹章的亚维皇都阿布利雷号，漫画银河骑士传的播种船希德尼娅，英国作家亚瑟·查理斯·克拉克的与拉玛相会系列中的外星人飞船都市拉玛。
- 人造行星：极大的宇宙殖民地，可以完全模拟地球环境，以这个为主题的有田中芳树的《灼热龙骑兵》的各个新行星。
- 宇宙要塞：有很坚固防卫的军事性宇宙殖民地，一般以星际大战的死星、田中芳树的《银河英雄传说》中的伊谢尔伦要塞为代表。
- 戴森球和环形世界：这是比以上的其他方案更神奇的设计，美国科学家戴森构想一群包围太阳的居民点，把吸收到的阳光都可以利用，人们以其命名为“戴森球”，后来同国的科幻小说环形世界中，外星人把其连合成一个环状结构包围其恒星，有比恒星体积还大的人工小宇宙规模的居住空间。还有个别科学家提出极先进的外星人，可以把星系核心的巨型黑洞包围来建造“超级戴森球”，吸取其惊人的电磁辐射放射线为能源，可算是终极的太空居民点。

## 计划优缺点

作为太空移民的方案，常和另一方案即把行星地球化作比较，在短期内也有和开发海洋和极地等作比较。

### 优点

作为太空移民的方案，一般认为太空殖民地有很多优点：

- 比把行星地球化容易，也没有其伦理和政治问题。
- 可以有较多轨道和位置选择，也可以随建造者的需要而设计外观和内部，如果采用核能或反物质做能源甚至可以不需要阳光，可以作为星舰（恒星际太空船）或建立在太阳系外围轨道。
- 不受制于天然星体的大小和重力，即使很小也可以做成和地球相似的重力和气压。
- 相对于一般像地球的行星，本身对外的天然重力较低，可以很易离开也没有大气阻隔而很易进入。
- 因为是空心的意味可以用少数的小行星材料，就足够建造超过现代地球表面积的居住区。
- 不需要像开发海洋和极地会破坏地球生态。

### 缺点

宇宙殖民地计划中也有不少的缺点：

- 效益不大，只胜于直接把其他行星地球化，但未必胜过开发地球海洋或极地。现实中解决居住地不足，只需要填海建立人工岛就够短期需要了。
- 科技水准要求高，现时没有大推力运载火箭去运输这设施的组件，而且即使每日运输一件组件也至少要多年的时间和粍费成亿上兆美元。所以需要先行在月球和小行星上建立前哨基地，又要在地球轨道上建立制造组件的太空工厂和转运港，甚至需要太空电梯和发射环之类非火箭航天发射设施，这些建设本身也像太空城市一般是长期有人。意味要受严格训练和资历的宇航员为富裕的未来太空移民充当普通劳工，做危险和艰苦的工作，况且现太空站仍然未能适合长期工作。
- 而且就算一个宇宙殖民地可容纳2000万人口，对于世界人口每年以一亿的速度成长的现状，就要每年增加5个殖民地。其建设所需的矿物等资源只可能从月球以及近地小行星开采，建设与移民所需的经费等问题以目前的技术水准来观察，也不足以支持宇宙殖民地成为有效率的人口问题解决方案，最多只能作为未来富裕人士兴建的理想化新居，或作为太空探索科研和太空产业的基地。
- 主要倾向于推广太空城市的概念，多是出于就习惯于较小空间的社会的科幻作家，如日本和英法等，且居民出入都需要经过气闸引起交通管制上的不便。对于喜欢宽敞空间感的人，更易接受把行星地球化的方案，而兴建有匹敌行星宽敞空间的人造行星（极大的太空居民点），所需要的技术和资源，相信比把行星地球化还高。
- 小型的简单居民点的空气循环和防漏气的能力都成疑问，可能需要经常分解小天体的矿石或冰来补充。也意味其很易因为被陨石或太空垃圾所撞毁，而一日人类的暴力行为未结束的话，便使人担心任何可以到达太空的人轻易地毁灭简易的居民点。

## 参考文献

- NASA's table of contents for the studies See the "online books" about halfway down the page.

## 外部链接

- Lifeboat Foundation Space Habitats, a space habitat advocacy group.
- Paul Lucas (2005), Homesteading the High Frontier: The Shape of Space Stations to Come, Strange Horizons
- NPR visualization of a large-colony space habitat, May 2011.
- NASA video about space habitats and space settlements construction as seen around 1970"s (5 min)
- Video explaining rotating space habitats
- Opening the High Frontier, a video about affordable spaceflight and building a spacefaring civilization.