[科普中国]-人造重力

简介

人造重力，又称人工重力，是指在太空或自由落体的环境下对地表重力效果的模拟。人造重力可以防止人类因长期处于失重环境中引起的健康问题，对长期载人太空活动尤其重要。产生人造重力的常用方法是通过太空船整体或局部的旋转，使得太空船的乘员感受到离心力，从而模拟重力的效果，由于科氏力的关系，旋转的半径要够大才能避免头晕。但当前的人造重力技术尚未达到实际应用的水平。

在地球表面的一切物体，均受有测量上为一个重力(19)业使之向地心运动的吸引力。在月球表面，其重力只有在地球表面的1/6，而在火星上，其重力为在地球表面的1/3。宇航员进入选定的太空重力环境后，身体便要经受一系列的冲击，发生一系列的变化，例如，血液要重新分配，前庭神经系统出现失调，心率下降、重要矿物成分亏损等。

据宇航局的一些工程师介绍，克服微重力效应的影响可以在宇宙飞船中人为地模拟地球重力。宇航局武器研究中心航天工程师拉瑞勒姆克从事太空人造重力的研究差不多已有6年，他发明了一种形状颇似哑铃的飞船，船体分布在两端，中间用电缆相联。调节电缆的长度和飞船旋转速率可以达到不同的重力等级，甚至可以获得大致与地球相当的1个重力场。宇航员的居室就设置在电缆两端的“容器”中。对人造重力飞船的研究工作尚在进行之中。通过这些研究来弄清人类对微重力环境的适应能力和机理，失调情况，由于太空暴尾对生命和肢体造成的诸种危险，以及确保机组人员安全的防护测试等。

难点重力实质上就是惯性力，“人工重力”对超长时间的航天飞行也许是必要的，但一般中短时间的航天飞行不会采用，代价太大而且实用意义不大。 最简单的方法就是旋转，一个巨大的轮形结构旋转时轮周上就会产生一定的“离心力”，也就是类似重力的惯性力。但是这对飞船结构有特殊要求，不一定符合飞船的任务要求。而且这样的飞船极大，至少在目前是无法实现的。 目前简单的措施有：为了工作方便在舱内加脚箍带和扶手、“万能粘”等，为了视觉区分，人为地染上“天、地”色等。为了保健而穿着局部加压服、健身机等。但目前效果都有限，飞行数月下来的很长时间内都无法正常站立。 人工失重的实现则比较简单，在改装过的飞机上，高速飞抛物线时，就会产生约一分钟的“失重”，能让飞行员稍微体会一下失重状态。

兴衰史几十年来，科学家一直在设想一种巨型旋转空间站，能够产生人造重力。不过，这一梦想一直未能成为现实。由于零重力状态对宇航员的健康产生的不利影响以及未来将要实施的探索火星、小行星等持续时间更长的深空探索任务，打造可产生人造重力的航天器将成为一种必然。此外，随着商业太空旅行业的快速发展，未来可能出现巨大的充气式轮形空间站，可产生人造重力，让游客享受更为舒适的太空之旅。

零重力影响宇航员健康生活和工作在太空将对宇航员的健康造成不利影响。从国际空间站返回地球的宇航员虽然笑对记者镜头，但却很难站立。空间站尚且如此，未来的火星之旅将对宇航员产生何种影响我们可想而知。火星之旅历时数月，在忍受数月零重力(或者微重力)的影响后，登上火星表面的宇航员连蹒跚都很难做到，更不用说走路了。

美国宇航局生物学家沙尔米拉-布哈塔查尔娅表示：“零重力将对宇航员的健康产生一系列影响，例如骨密度下降，肌肉流失和视力下降。”她最近进行的研究显示，太空飞行甚至会对免疫系统产生不利影响。在太空飞行过程中，宇航员很难保持平衡，睡眠被剥夺，心脏血管的运转趋于缓慢，出现肠胃气胀。此外，他们还会出现一系列太空病症状，例如眩晕、沮丧和乏力。布哈塔查尔娅的实验以及其他科学家在过去50多年进行的实验显示，绝大多数症状都由零重力所致。

人类还没有进化出适于在太空生存的特征。科学家一直在进行研究，了解和遏制失重状态产生的不利影响。最近，欧洲航天局进行了一系列卧床休息研究，了解21名志愿者在卧床休息21天后身体受到的影响。很快，美国宇航局和俄罗斯联邦航天局将合作实施一项为期一年的国际空间站任务，测试一系列对抗失重状态的最新理论，例如加强锻炼和营养。

巨型旋转轮产生人造重力如果人类前往火星、木星、土星的卫星或者更遥远的天体，我们显然需要寻找更为极端的解决方案。其中一个解决方案就是复活美国宇航局上世纪70年代放弃的计划，打造拥有自身人造重力的航天器。早期的空间站设计均设想过人造重力(由巨大的旋转轮产生)。未来，这种空间站将越发普遍。

在1949年发表于《英国行星学会杂志》的一篇文章中，H.E。罗斯设想了一个“燃料补给站”，用于执行月球探索任务。这一设计由3部分构成，可以形象地比喻为碗、小圆面包和手臂。“碗”是一面巨大的镜子，在设计上用于聚集阳光，加热水以产生蒸汽动力。没错，就是打造一座蒸汽动力的空间站。“小圆面包”这部分的外形更像是一张百吉饼，位于镜子后面。“手臂”从“小圆面包”一侧伸出，连接对接端口。

借助于太空中的旋转轮，人造重力或者罗斯的更准确描述“假重力效应”会以这样一种方式产生：推进器让“碗”和“小圆面包”沿着它们的轴旋转，产生向心力，进而产生重力。在中空轮内的任何人都会感受到与重力类似的效应，就好像被拖向外部的曲壳，实际上是外壳的地板将他们往上推。具体产生多少人造重力取决于旋转轮的尺寸和旋转速度，尺寸越大，速度越快，产生的人造重力越大。

在上世纪60年代晚期的“阿波罗”号月球探索计划末期，美国宇航局委托宇航公司研究未来的空间站。当时，人造重力成为所有空间站设计的一大要素。《太空飞行》杂志编辑、曾参与空间站设计的前美国宇航局工程师大卫-贝克表示：“这些空间站研究现在看来非常过时。上世纪70年代中期的太空实验室任务证明建造一座空间站的重点就是进行微重力研究。于是，我们放弃了人造重力这一想法。现在，我们可能有必要重新进行研究。”

鹦鹉螺-X无奈夭折在伦敦的英国行星学会图书馆，笔者发现了贝克1971年撰写的有关人造重力项目的报告。其中一份报告提到了麦克唐纳-道格拉斯公司的所谓“太空基地”，由一系列圆柱形太空舱构成。这个基地建有一个独立的人造重力舱段，为宇航员提供相当于地球重力一半的人造重力。另一个与之相竞争的设计来自于北美罗克韦尔公司，更加雄心勃勃，采用中央芯设计，4个圆柱形太空舱从中央芯伸出，好似轮辐一样。每一个太空舱都建有生活区和工作区。与罗斯1949年提出的设想相同，这些太空舱沿着中央轴旋转，产生人造重力。

这些设计非常巨大，可容纳12到50名宇航员，每人都有自己的舱室，舱室内桌椅齐备，甚至还有一个医务室。2011年，美国宇航局、学术界和航天业组成的一支团队提出一项被称之为“鹦鹉螺-X”的提议，也被称之为“多任务太空探索飞行器”。根据他们的提议，鹦鹉螺-X将耗资37亿美元，在设计上可容纳6人，外形与飞行的空间站类似，装有大型太阳能电池板以及一系列相互连接的管道。这一设计有别于其他设计的一大差异是，一个巨大的中空轮环绕中央。这个轮与自行车的内胎类似，由一系列坚固的环构成，彼此间由软壁充气舱段相连。在结构上，这一设计与美国宇航局要求毕格罗宇航公司设计的太空舱类似，后者预计于2015年安装在国际空间站上。

鹦鹉螺-X的外形与国际空间站类似。参与这一项目的马克-霍尔德曼表示：“鹦鹉螺-X将在轨道中组装，利用组装国际空间站过程中获取的技能和经验。”2011年，航天飞机计划的技术应用与评估小组(TAAT)提出了这一设计。这支团队将目光聚焦近期的太空探索任务，研发新技术或者延长现有技术的寿命。他们计划制造一个原型，安装在国际空间站上，用于验证这一设计，而后制造全尺寸版。霍尔德曼说：“它将成为第一个真正意义上能够为宇航员提供人造重力的航天器。鹦鹉螺-X在设计上同样能够为火星飞船的研制打下基础。这种飞船将搭载9到12名宇航员前往火星。”由于探索重点的变化以及缺少资金，这项计划最终夭折。

更简单更低廉或为方向由于预算减少，航天部门可能会走设计更简单、造价更低廉的路线。如果最终做出这种决定，他们可以借鉴美国宇航局上世纪60年代中期实施的“双子座”任务。当时，宇航员用绳索将太空舱与无人对接舱连接在一起，允许两个组件彼此环绕对方旋转。为了理解这种做法遵循的理论，你不妨想象一下用绳索在装满水的水桶内搅动，绳索的末端会在水桶内产生向心力。

对于预算紧张的航天机构来说，他们还有一个费用更低的选择。麻省理工学院的研究人员利用一台小型离心机进行了一系列实验，让桌子或者椅子旋转。他们的想法是让国际空间站上的类似物品旋转，让宇航员绑在上面旋转，模拟重力。虽然这种装置会让人产生运动病——尤其是在移动头部的时候——但实验结果显示，采用这种装置能够抵消失重状态产生的一系列不利影响。

贝克认为可能存在另一种建造首艘人造重力航天器的方式。他说：“毫无疑问，一座建在太空的酒店需要产生人造重力。鉴于多达50%的宇航员曾患上太空病，如果在地球轨道建酒店，人造重力将是必不可少的一个要素。”随着商业太空旅行业的快速发展，这一想法并不像10年前那样遥不可及。由酒店业大亨罗伯特-毕格罗创建的毕格罗宇航公司与美国宇航局合作，负责为其提供首个充气式太空站太空舱。毕格罗希望将他的房地产帝国的触角延伸到轨道。也许在未来的某一天，我们便会看到地球轨道中出现巨大的充气式轮形空间站。不过，这种空间站是为腰包丰腴的太空游客准备的，而不是前往火星的探险家1。

未来发展许多近现代著名物理学家，如爱因斯坦、海森堡、泡利（Pauli）等，都在晚年致力于统一理论的研究，但是没有取得成功。现在已经知道，自然界中总共四种相互作用力，除万有引力之外的三种都可由量子理论来描述，电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换量子来解释的。

但是，引力的形成完全是另一回事，爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中，弥漫在空间中的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也在尝试用模仿解释电磁力的方法来解释引力，这时物质交换的量子称为引力子，但这一尝试却遇到了理论上的很多困难。

上个世纪后半叶以来，不少科学家提出了各种大统一理论，希望将四种力用一种理论进行统一，但都遇到这样那样的困难，其中只有弱力和电磁力的统一（称之为电弱力）较为满意。用规范理论统一四种基本相互作用是一种诱人的因素，但是在前进的道路上也有可能遭到失败。也许人们还会寻找新的途径去统一各种基本的相互作用。通过一系列探索、失败、成功，再探索、再失败、再成功，不断发现矛盾，解决矛盾，每一次循环都在加深着人类对自然界的认知。

如果某天能将四种基本力成功统一了，人类就有可能使用电力直接制造人工重力，就像科幻电影中那样！

在未来的宇宙探索中，人工重力系统是必须的，人在失重状态下有很多害处，在未来动辄几年甚至几十年的太空探索中是不可能让人一直处在失重状态下的，所以人工重力系统的产生势在必行！

当前大多数科幻片中演绎的人工重力模式暂时没有什么理论基础，现在及近未来的时间里只有一种实现方法，就是依靠旋转的向心力来替代重力，像1968年的科幻电影《2001太空漫游》的巨大轮盘形太空站所展现的人工重力方式。那种不靠向心力的人工重力暂时还没办法实现，因为人类对引力的认知还很有限2。

国际空间站人工重力在太空中通过旋转某个部位可以产生向外的、近似重力的离心力，这就是“人工重力”

国际空间站不会采用旋转方法创造人工重力，原因是2：

(1)建造国际空间站的主要目的是维持科学和技术研究所需的失重环境，不需要它旋转；

(2)达到上述目的需要有特殊的旋转接合装置和密封装置，这是非常复杂、繁重和高费用的。

(3)旋转部位必须设计更加坚固，使得它的重量增加；

(4) 带有旋转部件的空间站对物体的不平衡是十分敏感的：它会像一个不平衡的轮胎开始摇晃起来，为了防止它的摇晃，必须增加附加的载荷；非旋转部位的摇摆影响了空间站上的研究。

(5)在国际空间站这样短半径里产生的人工重力对人的内耳的运动/方位感觉器官是一种不舒服的刺激，例如它产生的科里奥利力和加速度可以刺激人的内耳。但是，在国际空间站的一个舱(CAM)里，有一个2.5米臂长的离心机，可以对这些问题进行研究，研究在物理、化学和生物过程的不同阶段重力所起的作用。