Las esferas son las mejores, pero los cilindros son más fáciles de fabricar

Para el mayor volumen interno en comparación con el área de superficie y, por lo tanto, la masa más pequeña posible, una esfera es lo ideal forma para una nave espacial. El módulo orbital de la nave espacial Soyuz es aproximadamente una esfera:

La mayoría de las técnicas de construcción en uso se basan en placas de metal. Por lo tanto, las naves espaciales con forma de cubos o cilindros (una placa doblada) son fáciles de fabricar. Sin embargo, los bordes afilados son menos óptimos que la esfera para resistir la presión interna.

Para estancias prolongadas en el espacio, es beneficioso tener algún tipo de gravedad artificial inducida por rotación. Los cilindros y toros son buenas opciones. También son bastante fáciles de inflar. (esa es una restricción de lanzamiento, pero importante)

Una nave espacial con gravedad artificial no debe necesariamente tener una curva forma, dos naves espaciales, o una nave espacial y un contrapeso con una correa en el medio pueden hacer básicamente lo mismo.

Para algunos tipos de propulsión, principalmente nuclear-eléctrica, velas solares o solar-eléctrica, Se necesitan grandes superficies de radiadores, velas o células solares. Eso determina en gran medida su forma (enorme pero plano, con un segmento de celosía largo en el medio)

Diferentes partes de un La nave espacial tiene diferentes requisitos, por lo tanto, puede usar diferentes formas para ellos en lugar de una compensación todo en uno. Una vez más, la Soyuz es un excelente ejemplo de geometría, ya que utiliza una esfera para el módulo orbital, una forma aerodinámicamente roma para la cápsula de retorno y un cilindro para el módulo de equipo.

Landers

Una de las principales prioridades de un módulo de aterrizaje es tener una base grande para evitar que se vuelque al aterrizar en la superficie. A pesar de los estudios iniciales de sondas no tripuladas en órbita, por ejemplo, de la Luna, nunca se puede estar totalmente seguro de la utilidad de un lugar de aterrizaje en particular. El Apollo 11, por ejemplo, cambió el sitio de aterrizaje objetivo en vuelo. Por lo tanto, los módulos de aterrizaje suelen ser muy anchos, por lo que no se caen. La etapa de descenso suele tener la forma de un prisma poligonal, con una simetría que depende del número de patas de aterrizaje. (tres para una configuración mínima, cuatro para un poco más de estabilidad, o cinco o más para redundancia y estabilidad adicional).

La etapa de descenso del módulo lunar del Apolo tenía una forma octagonal, correspondiente a su simetría cuádruple :

Una rosquilla o un cilindro lo suficientemente grande permitiría la gravedad artificial a través de la rotación. El diámetro debería ser de varios cientos de m como mínimo.

tecnologías de diseño y fabricación actuales

no hay restricciones en la elevación de materiales / componentes al espacio

Debo dejar en claro que no estoy interesado en una nave espacial que deba acercarse a cualquier atmósfera, por lo que no es necesario tener en cuenta la aerodinámica ".

Suponiendo estos parámetros, levantar algo a la órbita terrestre baja requiere que este algo resista estructuralmente aproximadamente 2-3 g durante lanzamiento. Por lo tanto, no hay lógica detrás de la construcción de una nave espacial robusta en el suelo, capaz de sobrevivir al lanzamiento y luego llevar un peso estructural muerto durante el resto de su vida útil.

En su lugar, lanzar materia prima y un edificio enorme o una fábrica de impresión en LEO primero, luego produzca la nave espacial allí y constrúyala con la menor proporción posible de combustible / masa estructural, según las limitaciones o aceleraciones que enfrentará.

Dado que no hay lanzamiento restricciones de peso de la Tierra, una de las mejores misiones para lograr podría ser enviar humanos a rds un sistema estelar vecino, que utiliza el sistema de propulsión del proyecto Orion, en una nave espacial muy enorme, sintonizada con aceleración constante de 1g a lo largo del vector de empuje. Por lo tanto, esta nave espacial se construirá en LEO para que no pueda soportar más de 1 g (+ margen de seguridad).

La mejor forma para una relación máxima de volumen / superficie es la esfera (como se mencionó en la respuesta anterior), por lo que la forma de esta cosa masiva podría ser un esferoide alargado alineado a lo largo de 1g de aceleración, o una nave espacial de colonia humana escupidora nuclear en forma de huevo -

Creo que las naves espaciales en el futuro lejano serán análogas a la biología. Constantemente se volverán a ensamblar y reorganizar para reparar los daños causados ​​por la radiación y la descomposición y para adaptarse a los entornos o deseos cambiantes. O simplemente porque una estructura obtenida revela que otra estructura es más atractiva de lograr en una forma evolutiva de descubrimiento.

La vida en la "nave espacial Tierra" lo ha hecho de manera espontánea. La lógica fundamental de la física, la geometría y la economía establece algunas limitaciones, pero las formas de vida aún varían desde pequeñas bacterias arcaicas hasta enormes reptiles y mamíferos y colonias distribuidas de hormigas y abejas como unidad genética. La sabiduría de esta evolución de mil millones de años parece difícil de superar. La falta de gravedad y la falta de interacción con la atmósfera / hidrosfera elimina importantes limitaciones de la forma.

Las correas pueden ser muy útiles. La microbiología parece estar llena de "pelos" microscópicos que guían los transportes y la comunicación. En microgravedad, las correas son útiles para simular la gravedad por rotación y tal vez para lanzar o capturar naves espaciales más pequeñas.

No hay solo uno, o el óptimo depende en gran medida del contexto.

Las naves espaciales no tripuladas sin atmósfera tienen un espacio de diseño bastante ilimitado. Las naves espaciales tripuladas están un poco más limitadas debido a la necesidad de un recipiente a presión, pero solo moderadamente, ya que el recipiente a presión solo constituye una parte de la nave espacial.

Mientras tanto, dado que la mayoría de los cohetes tienen carenados con un volumen interno razonable, la forma de la nave espacial ya no está terriblemente restringida por ellos (aunque muy a menudo pliegan paneles solares y similares para que quepan dentro).

Básicamente, parece que la forma óptima para muchas naves espaciales son los componentes de la nave espacial, dispuestos en alguna disposición basada en las necesidades individuales de cada componente, unidos con puntales o contenidos en cajas.