一、《流浪地球》中的宇宙奥秘、科学原理

故事背景是这样的：太阳急速老化，不断膨胀，太阳系已经不适合人类生存，于是人类为自己选了一个新的家园——比邻星（半人马座三星）。

比邻星同太阳一样，都是恒星，但质量只有太阳的八分之一

地球是个庞然大物，半径6371公里，重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机，足以在5年左右将地球推进到逃逸速度（脱离太阳引力的最低速度）。

行星发动机示意图

但这个速度还远远不够。比邻星（半人马座三星）距离地球4.3光年，如果按照逃逸速度航行，需要7.7万年才能抵达，这实在是太漫长了！

即使行星发动机继续加速，达到光速的百分之一仍然不可行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”，令地球零消耗改变方向、提升速度，最后到达比邻星。

那为什么行星发动机不能加速到百分之一光速呢？这是因为行星发动机的能量来自“重元素聚变”。

所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”，内部就在进行着重元素聚变。

重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计，地球要达到逃逸速度，也必须烧掉7亿亿吨的石头，相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料；要达到光速的百分之一，则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球，那就借助精巧的轨道计算，利用天文尺度的力量——万有引力。于是人类将目光投向木星，这就是电影前半段上演的。

航天中存在引力弹弓现象，利用它，可以令航天器零消耗低改变方向、提升速度，送达目标轨道。

引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星（红色球）和地球（蓝色球）举个例子，如图a和图b所示。

地球以速度V靠近木星，而木星在轨道上以速度U运行↓↓↓

图 a 引力弹弓的示意图

足够靠近后，地球被木星引力抓住，牵引，优雅地转体半周，然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

图 b 引力弹弓的示意图

感谢木星甘当人梯的奉献精神，地球获得了木星的轨道速度U，叠加上原有的速度V，速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了，却没有消耗任何燃料，就奔着新家园去了。

但如果变轨时离一颗巨行星太近的话，这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

当地球靠近木星时，人类突然遭遇了巨大危机：数千台行星发动机故障熄火了，全球地震，火山爆发，岩浆吞没了地下城……

图中红线部分为长城

为什么几千台发动机会同时熄火呢？为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢？这一切灾难的根源是“洛希极限”，简单说就是地球离木星太近了，太近会发生什么呢？

洛希极限（Roche limit）是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时，它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明，地球和木星的距离如果低于10.3万公里，那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球；如果距离低于7.44万公里，那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕，我们拿一个茶壶和茶杯举例子：

图 c 用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水，让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底，水滴会越拉越长，最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场，实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大，当它靠近木星时，离木星较近一侧受到的引力，将比较远一侧大得多，因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》电影中，地球已经到达了地木“流体洛希极限”（地木距离10.3万公里）。在此处，液体和气体不再能被地球引力束缚，而倾向于逃逸；而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿↓↓↓

图 d 地木流体洛希极限模拟（二维简化模型）

再靠近木星一点，地球将进入地木“刚体洛希极限”（地木距离约7.44万公里）。在此处，就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎，地球将彻底解体↓↓↓

图 e 地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

可以想象《流浪地球》中，人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行，那样会被潮汐力撕碎；太远离木星也不行，那样无法借助引力弹弓变轨……

限于时间和篇幅，在此只能对《流浪地球》中两个关键情节的科学背景进行讨论。实际上电影中涉及的科学知识非常多，设定详实，且高度融入剧情。

最重要的是，它们引出了很多值得思考的问题。从这个角度看，一部好的科幻电影真的能开启观众、尤其是孩子们的想象力与求知欲。好的科幻作品，尤其是硬科幻，对于科学是有比较强烈的指向意义。

在春节之际看到这样一部国产科幻电影，娱乐之余，还能传递科学知识与科学精神。

图片来源于网络

网友@卡卡西啦啦 在论坛发布了老同学看完流浪地球后给他女儿做的6张讲解图

二、《流浪地球》超详细设计图、理念分享

苏拉威西行星发动机布局图

片中的北京CBD

（来源：预告片截图）

概念图 大坝-发动机变速传导坑道

预告截图

概念图 冰封上海

 早期keyarts概念图 冰封上海

正片效果（来源：预告片）

早期keyarts概念图 跨越晨昏线

早期keyarts概念图

早期剧本中还有洛杉矶的灾难镜头。

而且除了地表旅途中众多的景，剧作中还出现太空，地下城，补给站，备战仓库等众多内外景的设计。

场景概念，早期空间站CIC内部

（成片中未采用）

场景概念 早期地下城入口

场景概念，地下城备战仓库

 场景概念 地下城控制中心大厅

场景概念 地下城安检处

场景概念 地下城禽蛋处理厂

场景概念 地下城小广场

片中小广场

场景概念 地下城街道

除此之外影片中出现的大量服装、载具、道具由于科幻题材和剧本的特殊性都需要概念设计阶段的开发。在导演指导下我们做了无数的设计帮助编剧导演为这个世界的真实存在奠定本片具象的视觉基础。

概念设计 运载车外观

载具概念设计 运载车内

早期载具概念设计，矿车

载具概念设计 矿山载具

道具概念设计——锤子的“加特林”机枪

道具概念设计——早期枪械设计

道具概念设计——注射器

载具概念设计——地下城轨道车

早期服装概念设计——外骨骼装甲

早期服装概念设计——地下城居民

早期服装概念设计——外骨骼装甲局部

（来源：预告片）

（来源：预告片）

工作中日常读物

学以致用

前期概念，地下城电梯内景：关于工业感视觉风格的早期探索

情绪板Moodboards中都是

工业感相关的视觉参考

关键帧概念 矿区

场景概念，工程车内景

概念图 车内局部细节

概念图 Moss 人工智能moss的早期设计中

也强调了工业感的造型元素。

概念图，空间站局部草模基础上的表面设计

概念图 空间站局部表面设计 

经过充分认真的研讨和论证，我们选定了其中一个方案作为基础，进行深入设计，最终确定的外观设计方案草图。

白板草图：“发动机和七爪鱼”

打比方和画草图是我们工作沟通的日常方式

概念图，行星发动机

在此结论基础上我们出了上面这个细化版本

利用建模和色彩初稿探索支撑部分的

表面分形结构

概念图，多状态下的行星发动机

概念图，转向发动机和推进发动机比例

概念模型，行星发动机

团队模型好手张鹏耗时2月余推敲装配各种设计细节

由于故事板设计有发动机喷口的特写镜头，我们对这个细节也是尤为重视。该设计参考了火箭发动机最前沿的黑科技“气动塞式线性发动机”的造型。

洛克达因公司的气动塞式喷管发动机

代号XRS-2200的氢氧线性气动塞式喷管发动

审核通过的发动机喷口概念设计

剧作中设定行星发动机的点火方式提到过脉冲点火，为了接地气、和通感，主创内部还深夜进行了过度解读。

关于这个设计也是反反复复好多其他方案

这张图可能会引起密恐同学的不适

序列概念设计

行星发动机喷射过程

影片中的后期团队以超高的标准和细节完成了这一动人震撼的长镜头。我在影院看到时眼泪差点掉下来。

来源预告片片段（特效制作 MORE VFX）

故事板片段

（早期动态故事板视频）

电脑屏幕上密密麻麻的故事板

正片镜头（来源：预告片）

概念图“地木脐带”

早期概念设计

日本电视剧《恐龙特急克塞号》

上帝的喷灯——行星发动机

（来源：预告片）

概念图“氢爆炸冲击波抵达地面”

传媒大学任教时

指导学生设计的《流浪地球》场景、人物概念图

（供图：李潇）

概念图 “重庆矿区行星发动机”

 早期序列概念 “地球推离太阳”

早期的发动机核心内景方案

小学课本上的地动仪图片

等离子推进器

等离子发生器剖面

概念草图，发动机核心区

发动机核心区早期草图

概念图 发动机核心剖面

概念图 发动机核心侧面布局

概念图，发动机核心点火闸移动范围

概念模型，点火闸上下两部分

概念模型

点火闸上半部分“龙”

点火闸下半部分的“蛤蟆”

发动机喷射核心区内景

发动机核心区内景

点火闸合拢

概念图，发动机核心区轨道桥

概念图，发动机核心顶部

概念图，发动机核心鸟瞰

后期概念/Envirorment blocking

发动机核心区

概念图，刘启踢“火石”

概念设计，点火闸内部表面

发动机核心区外景构造

发动机核心区外景构造

发动机核心区内部通道

概念设计/Enviroment Blocking

刘启起跳前

美术师郜昂老师指导设计的空间站。

概念设计

火石存储装置

概念设计

火石

运载车驾驶舱设计

首先是我在制作会议上用Ipad画的的草图。

其次是团队机械设计大大Nicolas Vallet 

细化的运载车驾驶舱设计

同期另一位艺术家指定了该设计的

色彩、比例、布局的剖面图

片中驾驶舱的呈现

以下是另一个分工协作的例子。不同艺术家对以同一个设计对象在不同阶段所做的设计图。

第一个阶段的全片key arts：

第一个阶段的全片Keyarts概念设计大概有100来张

第二个阶段的重点概念设计项定调，和次要设计项全面推进

第二阶段的设计项相对次要

所以数量众多，而且单个项目制作周期较短

第三个阶段，重点概念设计项细节拆分。

运载车顶部出口设计，剧情中因为有刘启从车顶出去的戏份，所以这个局部的重要程度和细节程度要求较高，所有拆分出单独设计

片中运载车是重点载具

需要在平面上进行了

一轮多视角的制作指定

第三阶段的设计,点火闸上臂部分是可动部分，所以该设定延展出一轮分件指定，和基于概念模型的绑定测试。

第三阶段完成的发动机顶部的冷却井的细节制定

从海报欣赏开始

最后，附送一套流浪地球官方和导演都转发点赞的色卡：

图片来源于“wuhu动画人空间” 微信公众号，作者wuhu小精灵

https://mp.weixin.qq.com/s/EDqsB-ZlvgSV3zbt3ySQIA

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本站责编：曹野

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