本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。
因為只有在科幻小說中，才有如此多用於太空計劃的資金來建造如此宏大的空間站。
這種空間站是通過旋轉產生的離心加速度用來代替重力加速度（g），達到模擬重力的目的。公式為：ω^2 r=g
根據上述公式，我們只要讓物體按照角速度（ω）旋轉，那麼在離旋轉中心一定距離（r）的地方會產生一個與重力相同的力（離心力），即通過旋轉模擬重力。
我們通過上述公式可以發現，有兩個旋轉的參數影響著我們模擬的重力加速度大小，一個為角速度大小，另一個為半徑大小。
當人站在這種空間站的「地板」上時，會產生一種較為嚴重的「併發症」。根據上述公式可知，由於頭和腳所處的r並不相同，因此頭和腳將會有不同的線速度和離心力。當這種情況比較溫和時，人可能僅僅感覺不舒服，較為嚴重時人會感到噁心，極端情況下會使人十分虛弱。
為了避免這種「併發症」，那麼空間站需要有一個超級大的半徑（r），讓人的身高帶來的頭腳位置差距與之相比可以忽略不記。
另外還有一些參數也需要考慮到，一般來說為了避免人體頭腳速度差帶來的不適，需要將角速度（ω）限制在2轉/分（0.209 rad/s）（PS：我們所在的地球為0.00069轉/分，約0.0000073rad/s）。
我們將上面的角速度ω代入上述公式（重力加速度約為9.8m/s2），可以計算出一個模擬出地球重力加速度的空間站至少需要多大的半徑（r）。
r=〖9.8/0.209〗^2≈224.3m
我們還無法製造出半徑如此之大的空間站，就連建造如此之大的運輸車輛也有資金困難。
另外，目前如國際空間站（ISS）之類的空間站首要任務是提供一個不受重力加速度影響的實驗環境。大量送往國際空間站（ISS）的實驗都需要排除重力的影響，比如晶體生長實驗，因為受地球重力影響，晶體的生長往往會受到限制。該類需要在空間站所做的實驗，由於沒有重力可以反應出與地球上不同的實驗結果。但實驗室一旦開始旋轉產生模擬的重力加速度那麼將失去它原有的實驗價值，因為實驗環境變得跟地球一樣。既然這樣為什麼還要送去太空進行實驗呢？
另外還有一些人說，既然實驗室空間站不能旋轉，那我們就建造一些專門為人員居住的旋轉空間站吧。對這些人，我會說去看看我回答的第一句話吧。
羅伯特·弗羅斯特在分析旋轉空間站所需要的尺寸時說到：「以一個結構工程師的觀點來看，建造如此的空間站將面臨很多不可能的挑戰。」
一般來說，我們需要限制角速度不超過2轉/分（0.209rad/s）以消除頭腳速度差帶來的不適。通過上文計算我們可知需要一個半徑巨大的空間站。
同時，羅伯特指出，這個巨大的空間站同樣還受到材料力學性能的限制。
經典科幻小說中的輻條狀空間站結構是完全錯誤的，因為你只需要一個簡單的中空圓環。旋轉的結構內部將持續受到向外的壓力。現實中應對此類向外壓力的設計中，有一種很常用的實例——壓力容器。
兩者之間唯一的區別在於，壓力容器受到的使一個三維空間的壓力（球形），而旋轉環受到的是二維的向外壓力（平面內圓形）（當然也可理解為向心加速度，這取決於你選擇的參考系）
分析如此複雜的一個對象，可以先將旋轉空間站的模型簡化為一個巨大的帶狀圓環（而非中空的圓盤）。我們可以根據這個簡化的模型來分析空間站的結構所受的壓力。
壓強是力作用在一個有限區域上的表現，而由該帶狀圓環所受的由內向外壓力大小與其模擬重力相等：
F=mg
因為質量等於體積乘以密度ρ，而體積為帶狀圓環的帶狀面積A乘以厚度t，因此上述公式可寫為：
F=ρA*tg
現在，該力是均勻施加在帶狀圓環內表面，該面積與上A相同即為帶狀圓環的圓環周長(2πr)乘以寬度w。
A=(2πr)w
所以該處的材料內所受壓強為：
P=F/A
P=(ρA*tg)/A=ρtg
根據圓帶所受壓強，計算其相關應力，根據用於壓力容器設計的環向應力方程我們可知：
σ=P*r/t=((ρtg)r)/t
σ=ρgr
把前面已經確定設計半徑帶入方程可得：
σ=ρ9.81m/s2224.3m
σ=ρ2200m2/s2
σ/ρ=2200m2/s2
將材料的屈服強度除以其密度即為材料的比強度，根據上述計算可知，我們需要比強度大於2.2的材料才能滿足要求。（需要選取屈服強度大於所受應力的材料）。
這看起來好像沒有什麼難度，但請記住，這只是一個沒有考慮任何安全餘量的最低材料參數要求。
當你考慮其他的一些結構條件，如材料負載、內部壓力、冷熱循環等其他常見的因素後對材料的性能要求將會進一步提高。
可能有一些材料的紙面性能可以滿足需求，但是太空環境惡劣，讓空間站將面臨更高的抗破壞挑戰。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.quora-大衛高怕飛
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