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？
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
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。但在没有空气和重力的太空，如何建造这样大型的设备？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，至少达到光速的1%左右，制造这样的太空站才具有意义。
致力科学、科幻，专注深度，欢迎喜欢科幻的朋友关注：深度科幻！为什么不呢，原因： 科技 水平还无法办到。
科学家早已知道离心力这个虚拟的力是可以营造出人造重力的效果的，当人走在旋转的物体中时，离心力使他有向外运动的趋势，而物体的内壁则提供了一个大小相等、方向不同的反作用力使他不至于真的突破出去，这样的话，就有了重力的效果了。
可是，建造这样的圆环形状的太空飞船，半径需要足够大，因为制造的人工重力的大小是与飞船的半径成正比的，而制造出能模拟地球重力的飞船所需的半径大小是现今人类 科技 水平所不能想象的。
有人说可以建造的小一些，但旋转的速度快一些不行吗？
不行，除非你想在那里吐到天昏地暗，旋转的半径小，那么头部与脚部的重力差就很大，那么上半身的血液就会往下半身聚集，从而造成头部缺血，甚至昏迷。
总而言之，太小的旋转半径不适合星际航行，星际穿越中的飞船尺寸也太小了点。
答：主要原因是，当前人类的航天发射技术不够发达，把单位质量的物资运送到太空成本太高，无法支持建造大型的空间站。
目前人类的科学技术，还无法操控引力，地球轨道上的空间站，可以利用离心力来模拟重力；在很多科幻片中都是这么做的，使用旋转机构来模拟重力，比如《流浪地球》中的领航员国际空间站。
从原理上说，这种方法完全可行，离心力的本质是惯性力，其作用和真实的力没有区别；但是需要把空间站做得非常大才行。
可以计算（a=4π^2*n^2*r），半径300米的环形装置，大约每50秒转一圈，就可以在末端产生0.5倍的重力加速度。
目前各国的空间站，都是让宇航员在微重力的环境下工作，没有使用这样的技术来模拟重力；在这样的微重力环境下，人体的肌肉会萎缩，心脏负荷会降低，为了减轻微重力对人体造成的影响，一般都会让宇航员每天进行简单的体能训练。
目前航天发射的成本，一次性火箭大概在5000~10000美元每公斤，要把大量物质运送到太空，整体成本还是非常巨大；如果要建造巨型空间站，以满足宇航员的长期生活，以及建造巨大的环形结构来模拟重力，成本是当前任何国家都无法承受的。
国际空间站长约73米，宽108米，预计2024年退役，总耗资就有近1600亿美元，而且还是多国合作建造的，当然美国是大头。
等未来航天发射技术进步，太空运输成本降低，尤其是可重复使用的火箭发射技术成熟后，在太空建立永久基地是早晚的事，到时候肯定会建造一个模拟重力的区域，作为宇航员的生活舱。
这也是当前技术条件下，模拟重力的唯一方式，或许到了未来，人类有能力操控重力后，就可以在飞船内产生人造重力，就如漫威电影中的飞船那样。
原因很简单，资金不够，技术达不到，投资高，回报少。这么大的机器，发射费用就非常高呀，而且旋转部分与静止部分的气密行也不好处理，主轴的散热也很难解决，交会对接也更复杂，这些都需要一步一步解决，更现实的问题，没钱。。。
因为人类目前的航天发展阶段并不需要这样的人造重力；其次按照目前的航天技术，将一个庞然大物一次性发射上天是不可能的，如果分多次，在经济上，单个国家也是吃不消的
在科幻电影中，我们经常会看到圆环状的太空城，城内的居民可以像在地球那样自由的在环壁上行走。而这背后的科学原理说来并不复杂，就是利用离心力来模拟引力的存在（离心力存在于非惯性系，属于惯性力），并且在设定圆环的半径、转速的前提下，我们就能算出这个力的大小。当然了，对于内部居民而言，他们的感觉与真实的引力环境基本无异。
虽说原理不难，但理论和实践是两码事，至少在建造这一块，难度非常大。从人类建造国际空间站就可见一斑（从组装到完全完成用来17年时间），而这样的圆形空间站，尺寸势必远大于国家空间站，且内部装置也更加复杂。因此人类目前的建造技术还是相当吃劲的，这还没谈运输过程。
总的来说，随着人类航天进程的不断发展，迟早有一天会达到达建造大型人造重力系统的地步的。
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科幻片可以用数码或者用模型来做，而真实的空间站是需要真金白银做出来，怎么能一样呢？
我们一定要弄清，科幻不是科学研究，也不是现代科学技术，也不是科普，不要把这几者混为一谈。
科幻是根据现有科学水平加上对未来科学发展趋势的预测，大胆超前想象的产物，里面虽有一些科学内核，但与严谨的科学研究成果和现实 科技 发展完全不是一码事。
而人类真正的飞往太空，是不能够凭想象的，而是不但要理论上能够过关，技术和实践上必须能够实现，科幻中能做到的在现实中还不能做到，否则就不叫科幻。
长期在无重力或低重力中，会对适应了地球重力状态的人类 健康 造成伤害，这一点已经被证实。
人工重力可以防止这种伤害，但要实现太空中人造重力解决这个问题，并不是一件轻而易举的事情。
我们通过科幻影视比较熟悉的一种人工重力方法，是通过太空船整体或者局部的旋转，使太空乘员感受到离心力，得到一种模拟重力效果。这也的确是目前科学界认同最可能实现的方法。
而且现阶段的空间站就是一个在地球轨道上进行低重力实验的基地，而且航天员们在上面实行交替轮流，时间并不长，可以采取一些其他方法，比如弹性锻炼来一定程度解决乘员 健康 问题。
所以，目前的空间站并不十分需要解决人工重力问题。
如果现在我们一定要在空间站解决人工重力问题，就必须做一个旋转的大圆环，即使技术成熟了，但付出的造价和代价会大很多，建造周期也会大大延长。
而且由于设备体积大大增加，安全风险会呈指数级上升，得不偿失。在现阶段，在太空中保障航天员们的安全，才是最最重要的事情。
今后人类一定要走出地球，走向太空，人类将长期在太空中生活，那个时候，人工重力一定会成为太空船或者太空城的标配。
我想在不久的将来，NASA前往火星的载人飞船上，为了保障宇航员在长时间旅途中的身体 健康 ，就有可能会设计采用某种人工重力装置，而且这种重力装置很可能会未来几年NASA重返月球计划中进行实验。
因为NASA重返月球计划主要目的之一，就是为了实现2033年左右载人前往火星进行技术演练和适应性训练，我们可以拭目以待。
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首先我必须承认科幻小伙和电影出现的环状轮胎形的飞船，是具有科学含义的，利用轮胎形状的旋转，靠离心力模拟重力，这样大家的生活就会模拟地球生活一样，拥有自己的重力而生活。
相信大家都了解，电影和电视剧都是生活的放大版，很多科学在目前的技术是很难以实现的，这样的影视剧也可以看作是未来发展的方向。
目前的空间站和电视剧的完全不一样，影视剧的空间站或者太空城都是以大型环状结构构成，而现实中的空间站确实以拼接实现，完成一个简单的空间站的组装到正常运行都需要接近20年的时间，主要是在问题出现在太空的深空环境，强辐射和始终的环境。
空间站的主要功能是在失重状态下的太空实验，空间站对于人类发展是非常重要的一个实验室，这个实验室的先决条件就是失重，对重力是完全不需要的，有人就会说空间站不是有人吗？是的，但是他们并不会长期生活在这个地方，每隔一段时间，他们都会换班值守在空间站。
离心力模拟重力发展的困境这项技术在学术上是得到广大科学家的认可，但是轮状的空间站或者太空城对空间的要求是十分巨大的，并不是现在的小小空间站就能实现的，科学家们通过实验得知，按照目前空间站的空间旋转，只会觉得恶心并没有重力的感觉。最基本的要求是需要半径达到上百米的空间站才能够模拟出地球重力效果。
模拟重力还不能实现的另外一个原因是因为时间的问题，目前我们天空 探索 主要活跃在低太空，并没有进行深空 探索 ，目前还对者项技术的要求并不高，按照目前的 科技 发展水平，至少还需要200年以后才能使用的上。未来这项技术也将是太空发展的标配。
太空模拟重力的模式按照等效原理，密闭的房子内的人不能分辨自己是站在地面上，还是以9.8m/s的加速度在宇宙深空飞行。根据这样的推断，未来让宇宙飞船的加速度保持在9.8m/s的加速度飞行。这样宇航员就会感觉自己站在地面一样。
理论总是这样的简单，这样长期保持9.8m/s的加速度飞行，按照能量守恒定律，这样飞行对燃料的需求量是非常的大，目前是最不可取的办法。
另外一种办法相对而言是非常可取的，那就是离心力模拟重力。利用大圆盘的旋转，通过莫查理提供向心力，对于在飞船而言是感受到的是摩擦力，对内部而言却是重力。
这样的理论就如同一个物体与摩擦力大小相同，方向相反而抵消了摩擦力，这个力就如同离心力，飞船就可以利用这样的离心力来模拟重力。
这样力离心力需要大转盘高速旋转而产生，需要大量的动力驱使转盘高速旋转。这相对于前者要求强大的推理持续不断加速要更加容易实现。
虽然看似简单，就目前全球 科技 的发展，还没有任何国家能将如此庞大的航天器推送到太空，运载火箭的能力根本不能达到。另外一种办法那就是和建造空间站一样的模式建造这样的庞大的飞船。
不说你们也觉得不可能，目前全球也就只有国际空间站和中国即将商业运行的天宫空间站，每个都是耗费了大量的人工成本和时间成本，要想建造起这样的庞然大物，需要全球一起努力才可能达到，您觉得谁会加入呢？
人造重力系统，是未来星际探测的必须实现的技术。人造重力系统技术上基本没有问题，重要是投入产出比不划算，而且也不需要！
就目前来说，人造重力技术不在理论层面，而在于实践层面。
人造重力最简单的方式就是依靠爱因斯坦在1911年提出来的等效原理概念。
按照等效原理，密闭的房子内的人不能分辨自己是站在地面上，还是以9.8m/s²的加速度在宇宙深空飞行。
那么按照这种思路，我们完全可以让宇宙飞船的加速度保持在9.8m/s²的加速度飞行。这样宇航员就会感觉自己站在地面一样。
不过这种方式有最大的鸡肋，那就是加速过程不能持续太长时间。毕竟维持加速运动要源源不断地消耗燃料，这种方式并不可取。
最靠谱的方式就是利用离心力模拟重力。
其实离心力就是一种虚拟力。是相对于受力物体而言的。
当你坐在一个大圆盘上旋转的时候，在外部的观察者看来，你之所以可以保持平衡是由于摩擦力提供了向心力。
但是作为你自己来说，你可以感受到自己受到了摩擦力，但是为什么自己还可以保持静止。
于是你就会假设一个与摩擦力大小相等，方向相反的力抵消了摩擦力，这个力在你看来就是离心力。
在空间站上，我们可以依靠旋转产生的离心力来模拟重力。
不过这就需要极大的动力系统产生旋转。
不过目前全世界没有一个国家可以把如此笨重的离心力产生系统发射到外太空上，因为火箭载重太低了。
如果分多次发射部件再组装，那费用就没有任何一个国家可以承担的。而且空间站许多实验就是要求在微重力环境下进行。
所以目前的国际空间站没有任何必要做成像科幻片那样的离心力模拟重力系统。
一是经济效应不划算，二是本身许多实验就需要微重力。
但是在以后的星际旅行中，模拟重力系统一定会建造起来的。
简单说就是成本问题，现在的火箭发射成本还比较高，而通过航天器旋转的方式模拟重力虽然可行，但是要求航天器得有一定的体积，燃料也得比较充足。
用旋转的方式获得向心加速度是现代航天中的一种重要手段，不过不是用在飞船上，而是用在飞行员和宇航员的训练上，经过长时间的适应，使宇航员能够适应火箭发射时的加速度，那相当于在一个人身上再压上5个以上同体重的人。再太空中由于航天器绕着地球运行，内部的人也随着一块运行，地球的引力成了绕地球椭圆轨道运行的“向心力”，约等于重力，于是人就失重了，这种情况下只需要给飞船加上一种旋转运动，内部的宇航员就可以重新体验到重力了。
用旋转的方式获得向心加速度，再同等情况下，旋转速度越大向心加速度就越大，半径越大向心加速度就越小，可是半径如果太小，旋转太快宇航员受不了，一次你需要较大的航天设备。道理简单，可惜建设很麻烦。现代航天追求的是高效、廉价，都在搞可重复使用的火箭，可惜目前的火箭技术还是不够廉价，发射成本依然是很高的，一般的小型火箭发射也得几百万美金吧，重型火箭的发射成本都是几千万美金，甚至上亿美金。最大直径5米、长100来米的国际空间站都花了近20年，耗资1600亿美元。
根本原因还在于现代人类航天发射的动力还不够，靠着高压火焰产生的推力，容易出错，推力也难以很快提升，如果未来具有更高效的推进设备，那建设拥有人工重力场景的航天器就会成为现实。
红蓝视觉
2024-10-29 广告
