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为什么我们需要人工重力来执行长期的太空任务

原标题:为什么我们需要人工重力来执行长期的太空任务

北京时间 11 月 30 日消息,想象一下,当你身处一个快速旋转的机械装置时,你会感受到一股力将你的身体压在墙上或座位上。当这种旋转越来越快时,迫使你面对墙壁的压力就会增加(相反,如果旋转减慢,压力也会减少)。你感受到的重量就像让你的身体紧贴地面的重力一样。

当然,或许和大多数人一样,你对这种旋转力最激动人心的体验可能来自游乐园的游乐设施。尤其是 19 世纪中期以来,出现了许多经典的旋转设施,在给人们带来大量欢乐的同时,也让很多人呕吐不已。

还有少数人,比如宇航员和军事飞行员,会在载人离心机上会遇到同样的现象。载人离心机旋转时产生的这些很强的 “G 力”,也就是加速度。离心机测试也称为抗 “G”测试,这里的 G 就是地球表面的重力加速度。1G 就是飞机平飞时,飞行器加上载重和驾驶员的重量,而当飞行器改变速度或姿态时,就会产生正或负的 G 力。当高性能飞机高速转弯,或者乘坐火箭发射到太空,以及乘坐航天器返回地球大气层时迅速减速等情况下,飞行员或宇航员们就会体验到这种 G 力。

什么是人工重力?

诸如此类的旋转会产生非常具有真实感的重力——更确切地说是人工重力。这能为你的身体提供重量。换句话说,你的骨骼和肌肉无法将其与地球或其他行星所提供的重量区分开来,尽管后者的来源纯粹是行星的巨大质量。

几十年来,科幻小说作家们一直在设想某种旋转的宇宙飞船,可以在太空任务最长的时间段内为宇航员创造人工重力。当飞船加速上升或在大气中减速,会产生额外的重力,但在时间最长的太空飞行期间,重力的影响被抵消,飞船会进入失重状态

在科幻作品中,这种人工重力的两个例子分别是 2015 年的电影《火星救援》(The Martian)和 1968 年的史诗电影《2001 太空漫游》(2001: A Space Odyssey)。前者的特色是一艘名为 “赫尔墨斯”号(Hermes)的星际飞船,它有一个巨大的旋轮结构,可以在地球和火星之间的航程中不停旋转。当镜头放大时,你会注意到,对于宇航员来说,赫尔墨斯号内部的 “上”总是朝向旋轮的中心,而 “下”(即 “地面”),则是旋轮的边缘。《2001 太空漫游》中的五号空间站是一个旋转的空间站,它能产生相当于月球重力的人工重力。

除了舒适之外,我们也有充分的理由在远距离太空任务中用到人工重力。在失重状态下,我们的身体会发生一些变化,当宇航员到达目的地(比如火星)或返回地球时,这些变化可能会对人体造成伤害。例如,骨骼会失去矿物质(变软且容易骨折);肌肉萎缩(力量变弱);体液会流向头部,也会从身体排出,引起心血管系统和肺部的变化;神经系统出现紊乱。近年来,太空医学研究人员还发现,一些宇航员的眼睛可能会受到永久性的损伤。此外,有研究表明,人类在太空中的正常怀孕可能需要重力,因此搭载人类在太阳系飞行的任何航天器要么应该旋转,要么飞船的某些部分应该旋转,这似乎是毫无疑问的。

研究人造重力

美国国家航空航天局(NASA)和其他机构是否正在研究人工重力的可能性?答案是肯定的。自 20 世纪 60 年代以来,NASA 的科学家们就一直在考虑通过旋转来实现人工重力的前景。然而,在过去的几十年里,这方面的努力,以及相关的资金和热情有涨有落。在 20 世纪 60 年代,当 NASA 致力于将人类送上月球时,有关人工重力的研究激增(当时 NASA 的预算几乎是整个联邦政府的 5%,是今天的 10 倍)。

▲ 在德国科隆的德国航空航天中心(DLR)航空医学研究所,有一台短臂离心机设备(DLR Short-Arm Centrifuge,Module 1)。这是世界上唯一一个以这种手段研究重力改变如何影响人体健康,尤其是微重力下健康风险的实验设施

尽管 NASA 在过去的半个世纪里一直没有强调对人工重力的研究,但无论是在该机构内部,还是在其他国家的航天机构,科学家们都在研究一系列的情况。在国际空间站上,研究者将小鼠放入小型离心机,发现它们在旋转时安然无恙;在地球上,也有一些人在学习如何适应旋转的室内环境,比如美国布兰戴斯大学的阿什顿 · 格雷贝尔空间定位实验室就有这样的实验设施。在德国科隆的德国航空航天中心(DLR)航空医学研究所,有一台短臂离心机设备(DLR Short-Arm Centrifuge,Module 1),这是世界上唯一一个以这种手段研究重力改变如何影响人体健康,尤其是微重力下健康风险的实验设施。

为什么还没有旋转的宇宙飞船?

但是,如果人工重力的必要性如此明确,为什么还要在太空或地球上进行研究呢?为什么工程师们不直接开始设计像赫尔墨斯号那样的旋转飞船呢?

答案是,人工重力需要权衡,因为旋转也会产生问题。正如在旋转游乐设施中,在高转速的情况下转动头部会让你感到恶心。旋转还会影响体液在你的内耳和其他身体部位的流动。旋转的速度越快,恶心、定向障碍和运动问题就会越严重。当然,人造重力的强度取决于转速和旋转物体的大小。

要体验一个给定的重力——比如在地球上通常感受到的重力的一半——旋转半径的长度(从你在地板上站立的位置到旋转物体中心的距离)决定了旋转的速度。建造一个半径为 225 米的轮状飞行器,可以在每分钟 1 转(1RPM)的速率下产生完全的地球重力(即 1G)。这样的速度足够慢,科学家们非常确信没有人会感到恶心或迷失方向。

除了地板有些弯曲之外,旋轮飞船上的东西看起来和正常状态没什么两样。但是,在太空中建造和运行这样一个庞大的结构将会带来许多工程上的挑战。

这也意味着,NASA 和其他任何可能在未来将人类送上太阳系的太空机构或组织需要考虑更低的重力或更高的转速——或者两者兼而有之。事实上,月球表面的重力仅为地球表面的 16%,这使其成为研究低重力(相对于失重)影响的绝佳场所,但由于月球上还没有实验室,因此根本没有足够的数据来了解长期太空任务或建立太空殖民地时人类所需的最低重力条件。这些数据以及人类可以合理承受多少转速的数据,在人工重力研究中都是必要的。也许未来宇宙飞船上的人工重力不必完全和地球一样,但也足够保持宇航员的健康。

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