空间站为什么不建成像科幻片里的圆形，靠离心力模拟重力？
楼主既然是因为科幻片的影响产生了这个疑问，那么我们就有必要详细考究一下环形飞船靠离心力模拟重力的这个创意是怎么提出来的。
第一个问题：谁“发明”了用环形飞船模拟重力？对于喜欢科幻的朋友，“亚瑟·查尔斯·克拉克”是一个再熟悉不过的名字。也就是被刘慈欣先生称之为“只能拙劣模仿”的对象，科幻黄金时代三巨头之一。用环形飞船旋转模拟重力的想法，最早就出自他的小说《2001太空漫游》。
克拉克不仅是一位优秀、高产的科幻作家，而且还是一位卓越的科学家、理论学家。不仅有着深厚的科学知识，而且对科学技术的发展、应用有着敏锐的前瞻性。在上世纪40年代，提出的现代卫星通讯理论模型，与现代通讯业的发展惊人的一致。为了向这位伟大的科学家、理论学家致敬，国际天文学联合会还专门把地球静止轨道命名为“克拉克轨道”。除此之外，太空电梯想法也都出自他的设想。
克拉克的作品几乎全部是清一色的硬科幻作品，对技术细节的描述极尽详细入微。特别是为著名导演库布里克电影拍摄专门创作的这部《2001太空漫游》，对航天细节的描述甚至可当作一本权威的航天教科书。其中用环形飞船旋转产生的离心力来模拟重力的想法，几乎可称得上一个天才的设想。不仅深刻的影响了后世的科幻创作，甚至对航天科学研究也有很深的影响。
第二个问题：空间站为什么不建成像科幻片里的圆形，靠离心力模拟重力？就像楼主说的那样，在人类今天的空间站或宇宙飞船中，宇航员上厕所是一件异常费力、复杂，甚至危险的事情，稍有不慎就有可能酿成事故。把飞船建成圆形，依靠旋转产生离心力是解决这个问题最完美、最简单方案。那为什么人类不采用这样的方案呢？
一、是成本问题： 通过飞船的旋转，产生离心力来模拟重力，通常情况下这样的飞船都要造的十分巨大。以人类今天化学火箭的运载能力，要建造这样巨大的飞船，需要上千，甚至上万次发射才可能实现，面临天文数字的投资。
按照美国国家航空航天局在早些年的一个数据，每向国际空间站运送1磅水（一斤左右）的价格大约在9千至4万美元之间。要送这样一个大家伙进入太空，可以算算到底需要多少钱？当然随着近些年随着航天技术的进步，成本有一定的下降。但只要人类航天仍然采用化火箭这种极端原始的方式，这个成本就不可能实现质的下降。
二、是技术问题： 这样巨大的飞船不可能在地球上制造之后再运送到太空，因为人类没有这样大的火箭。人类迄今为止制造的推力最大的火箭，土星五号近地轨道的运载能力也不过120吨左右，远远不能满足发射这个庞然大物的需要。但如果不在地面上制造，以零件的形式分批运到太空再进行组装，即便人类能够承受这样巨额的发射成本，也没有能力在太空进行精确焊接、组装。
三、是需要的问题：这其实是一个根本性的问题，这样巨型的太空站通常情况下被用于星际移民或者星际远航的需要。但在现阶段，我们的母星地球并没有出现不可挽回的灾难，人类也并不需要逃离地球。到今天为止，人类所发射的，相对太阳速度最快的航天器，旅行者1和2号的速度也不过十几千米每秒，还不到光速的万分之一，这还是在运用数次引力弹弓加速的情况下，所以，以今天人类的技术水平，人类也并没有能力进行星际远航。只在地球周边进行探测活动，并不需要制造这样一艘昂贵并且复杂的太空站。
第三个问题：满足什么样的技术水平，人类才会制造这样圆形的太空站？要制造这样一艘太空站，人类至少需要克服“运送、组装和动力”三大技术难题。
首先运送，人类只有制造出类似太空电梯这种低成本进入太空的设备，才能将太空站的零件分批运送至太空。其次是组装问题，人类只有具备真正意义上的太空工厂，才能在太空生产、加工、组装、制造这样庞大和复杂的设备。
最后是动力问题，也就是太空站采用什么样的动力？这样一艘庞大的太空船，不管是旋转还是航行无不需要消耗巨大的能量。虽然从理论上来说，即便是不使用还在研发中的核聚变技术，核裂变发电也能满足。但在没有空气的太空，如何发电？使用什么样的燃料……仍然面临很多的难题。从现代科学技术的发展来看，只有等离子电推技术成熟之后，能将太空站加速至光速范畴，达到的1%左右，制造这样的太空站才具有意义。
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人类的生理结构是为了适应地球这种环境演化出来的，宇航员长期处于太空的低重力环境会对其身体机能产生不良的影响。最为显著的就是肌肉萎缩。低重力环境还会对血液循环产生影响，使血液过多的集中于头部。颅压增加后会使视力受到影响，这对宇航员的工作可能是致命的。
图：在国际太空站利用弹力绳模拟重力锻炼，防止肌肉萎缩
为了减轻这些症状，长期执行太空任务的宇航员会采用各种方法锻炼肌肉，防止肌肉流逝。但这些方法作用有限，宇航员返回地球后，任然需要他人搀扶，数周时间后才能恢复行走能力。
当然有办法，让飞船旋转起来，制造出与地球重力加速度差不多的加速度，就可以模拟出重力。
如果旋转半径太小，这就需要更快的旋转速度，这会使因为惯性产生的科里奥利力增加。科里奥利力太大会使身处其间的宇航员感到头晕目眩。所以，产生三分之一地球重力加速度的旋转器半径需要至少几十米。
图：人造重力宇航站
实际上，这样的空间站我们人类已经可以制造出来了。但是，目前还没有这个必要。原因如下：
其一：这样庞大的空间站需要非常多的资金投入，装配难度也非常大；
其二：人类之所以制造空间站，就是为了利用太空中低重力环境来进行一些地球上无法实现的实验工作。
当然，当人类需要进行长达数月甚至数年的宇航任务时（登陆火星等），就需要可以制造人工重力的宇航器了。
图：太空殖民用的宇航器想象图
图：《流浪地球》里的领航者空间站
人类的生理结构是为了适应地球这种环境演化出来的，宇航员长期处于太空的低重力环境会对其身体机能产生不良的影响。最为显著的就是肌肉萎缩。低重力环境还会对血液循环产生影响，使血液过多的集中于头部。颅压增加后会使视力受到影响，这对宇航员的工作可能是致命的。
图：在国际太空站利用弹力绳模拟重力锻炼，防止肌肉萎缩
为了减轻这些症状，长期执行太空任务的宇航员会采用各种方法锻炼肌肉，防止肌肉流逝。但这些方法作用有限，宇航员返回地球后，任然需要他人搀扶，数周时间后才能恢复行走能力。
有没有方法制造人工重力呢？
当然有办法，让飞船旋转起来，制造出与地球重力加速度差不多的加速度，就可以模拟出重力。
如果旋转半径太小，这就需要更快的旋转速度，这会使因为惯性产生的科里奥利力增加。科里奥利力太大会使身处其间的宇航员感到头晕目眩。所以，产生三分之一地球重力加速度的旋转器半径需要至少几十米。
图：人造重力宇航站
实际上，这样的空间站我们人类已经可以制造出来了。但是，目前还没有这个必要。原因如下：
其一：这样庞大的空间站需要非常多的资金投入，装配难度也非常大；
其二：人类之所以制造空间站，就是为了利用太空中低重力环境来进行一些地球上无法实现的实验工作。
当然，当人类需要进行长达数月甚至数年的宇航任务时（登陆火星等），就需要可以制造人工重力的宇航器了。
红蓝视觉
2024-10-29 广告
