對於不用進入大氣層，不用考慮氣動外形及美觀的宇宙飛船來說，其外形是可以隨便設計，還是有一種最優的方案？

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在科幻電影里見到許多外形酷斃的宇宙飛船，私下覺得若從實用主義考慮，無重力環境下的宇宙飛船其實不用設計的如此繁瑣。球形或者方形或許更適合空間分配與模塊載入。那麼有沒有一個最優的設計方案？
另，為使這個問題更加貼近真實的需求，題主想就現有技術對飛船做一些必要限制。
一，該飛船必須有矢量發動機，以及反向動力裝置。否則該飛船將不能制動。
二，必須有核能和太陽能兩種動力來源。星際間旅行，核能應急，太陽能續航。
三，完整的可循環的生命支持系統。至少包括淡水和氧氣，若做恆星間旅行，還應有完整的生態系統。
暫時就這些。綜合考慮之下，有沒有一個最優的外形方案呢？

那肯定不是隨便設計的，所謂最優方案必須是任務剖面的具體情況來制定。你描述的條件太少了。現階段或者說近未來人類技術可能還做不了一個設計隨便飛什麼任務。

即便是在軌道上組裝，組裝材料也會受到將其運至軌道組裝場所的運載工具限制。不進入大氣層不代表就可以完全忽略流線型外形。首先宇宙不是真空，速度越接近光速，受到的阻力越大 (如果你只是想跑個.1c的話那也不所謂)。船越大散熱設施的要求也就越多。還要考慮輻射保護等等。質量分布必須是精心設計的，你的任務又是什麼呢？載荷都是什麼呢？人有多少呢？要不要包含登錄器呢？登錄器怎麼釋放呢。你說動力，那還有備份動力呢，反推力系統呢。這個船會不會在某個固定軌道上待很久呢，這個軌道圍繞的天體質量多大呢？逃逸設計又什麼？在沒有地面補充的情況下怎麼保持軌道高度呢？除了做星際間旅行比較直線的加速，還需不需要能夠進行霍曼轉移呢？應急機制又是什麼？。就題目裡面給出的信息，那麼說是圓的也行，方的也行，三角的也可以。信息太少了，這種情況下只能考慮所謂的「遠未來」那就是科技已經達到目前人類文明所不能理解的程度，可能那種情況下設計成什麼形狀真的也無所謂了。

如果你是想要寫小說，需要設計出一個合理的宇宙飛船來的話，在這裡肯定是幾句話說不清楚的。你必須首先也給出一個包含了足夠多細節的假設。然後就可以討論為了達成這個任務需要什麼，那麼最後就可以估計出一個形狀。

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回復裡面補充的
其實還是很複雜。每個任務有每個任務的特殊性。如果考慮到近未來的話，需要考慮一些前提，就是建造方式。如果在地面分部件打造，在軌道整裝，需要考慮運載火箭的性價比。如果有足夠的財力採用100噸級的重型運載火箭運送全部的材料，那麼每一批次能夠最大載什麼尺寸的單一部件，又能裝載多少其它部件和材料。這對外形也有很大影響，目前在資源極其有限的系統工程中，最後的結果都是妥協的結果。人類從一開始到現在，所有的空間飛行器設計都是在條件，技術，資源，之間不斷妥協來的。

核能有很多種，不同的核能應用會對飛船外形又有不同的影響。比如獵戶座計劃類似的核（爆炸）脈衝推進，帶達拉斯計劃裡面的核聚變推進器，核能等離子推進器，核電能推進器，等等，各種又有不同的需求。天文動力上面都講Delta－V，就是說道空間旅行，就要考慮推進器所能帶來的方向速度變數。我想要12個月抵達木星和6年抵達木星，我是直飛還是霍曼轉移，中間幾次變軌，是不是需要重力助推。這些又決定燃料帶多少，反應發動機增么裝，等等。這還光是從航行方式方法的角度來看，而且還不止這麼多影響因素。

影視作品中比較靠譜的設計可以用來參考一下，阿凡達裡面的冒險星號 http://james-camerons-avatar.wikia.com/wiki/Interstellar_Vehicle_Venture_Star

現實研究裡面的：美國宇航局高的雙模熱核火箭，http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030014643.pdf

美國宇航局對太空奧德賽2001裡面的發現者1號飛船進行的現實化研究所帶來的，發現者2號 http://naca.larc.nasa.gov/search.jsp?R=20050160960

美國宇航局的FFRE HOPE 宇宙飛船設計極其幾個衍生型號。 http://www.nasa.gov/pdf/718391main_Werka_2011_PhI_FFRE.pdf

賓西法里亞州大學的反質子火箭設計 http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/ICAN.pdf

除了阿波羅飛船外載人航天器包括國際空間站都在地球稀薄的高層大氣中運行，雖然稀薄，但是長年累月微弱的大氣阻力會帶來軌道衰減。國際空間站每年用於軌道維持的推進劑就不少。地球的大氣層實際上延續到1000千米左右高。100千米以下的算是稠密大氣。水星、木星四大伽利略衛星、海衛一、冥王星等都是有非常稀薄的大氣。

此外能源、熱控制、推進、通訊、導航等也會很大程度上影響外觀設計。

上圖 eve里的c族戰列艦烏鴉級。專家點評：

當然不行。

具體情況太複雜，畢竟根據任務不同，對接流程設計不同，還有各種姿態調整不同有各種各樣的情況和需求。

但最簡單的例子：

1 主引擎還是要在重心線上的，否則一加速就打滾。

2 太陽板也不是說隨便展開很長的，否則一加速就斷了。

至於你說的最優設計方案，真的很難說。談談你的幾個條件：

1 矢量發動機或者反推制動。這個不太需要，

從目前的科技來看，很長一段時間內都不會去造這種東西。在宇宙中掉個頭沒你想像得那麼困難。

2 必須有核能和太陽能兩種動力來源。

你對目前的太空動力技術和航天力學了解有限。太空旅行並不需要持續動力，只是加速和減速（準確的說是變軌）需要。目前還沒有非工質發動機的靠譜科研成果（說白了不噴點什麼玩意不行）。所以動力只取決於「燃料」。（各種核能引擎的方案其實還是牽涉到工質的）

3 完整的可循環的生命支持系統。至少包括淡水和氧氣，若做恆星間旅行，還應有完整的生態系統。

就目前科技來說，這兩樣脫離「補給」，都不可能實現。當然如果你以黑科技來理解是OK的。比如抓點小隕石采個礦然後元素轉換什麼的。

總體來講，我理解的是你指的是 有星際航行能力的，不考慮大氣層內運動的大型宇宙飛船

目前大部分的觀點認為，大型宇宙飛船的外形傾向於 「梭子形」或者是「雪茄型」。

考慮也是加速方向只需要一個，所以截面不能太大，否則會有結構上的載荷問題

沒錯就是這種：

水滴……

需要至少一個面的投影是對稱的。

對於推進器，它的推進方向必須平行於對稱軸且總體不能有力偶出現。簡單來說星際迷航的企業號就飛不了。只能翻跟頭。

如果再考慮內部空間最大化。結構最堅固那麼宇宙飛船的生活部幾乎都會是圓柱體結構。推進器部分可以玩點花樣。不過整體也得類似圓柱體。

像科幻電影中的飛船那樣不現實。因為不經濟。你要是說我不管性能。能飛就行。花多少錢無所謂...那想要造什麼樣都行。

不邀自來。對於外太空飛行器的外觀設計，在我看來至少需要考慮2個方面。
1將宇宙中多種能量儘可能的利用的設計，將飛行器速度提高和降低。例如恆星的光壓，高能粒子流等。
2抵抗宇宙射線和宇宙塵埃及引力撕扯的設計。
至於宇宙生活必須品，有能量的話都比較好說。

單單先提一個異議：核能不會只做為備用動力源，事實上星際旅行時往往一個恆星到另一個恆星之間距離有時要飛行N年況且期間可用的高效率太陽能也不是全都在百分之百......核聚變發達後能量消耗還是很客觀的

只會是球體或者近似圓柱體

別的形狀不經濟

不知道那本小說里看見的。主角來之前，一行人的飛船是類似銻爾號那個一樣的，馬桶狀
後來有錢了大改了一圈，成飛碟狀了。
所以我覺得飛碟狀是不錯的設計
引擎你可以隨便放，中心對稱還是軸對稱都行
中間凸起的球體上部是駕駛艙，下面的空間可以放個反應堆，太陽能板用鋪的都能做到面積夠大，或者你在圓周上放上一堆伸縮的也行。
核反應堆邊上的話是生活居住區，也是圍圈結構，然後圈圈相扣，依次可以是食物合成，淡水凈化，能源供應（配電），武器，護盾等等。
甚至還能再入大氣，起飛也不難