在太空飞行中,我们为什么需要人造重力?

想象一下,你在一辆汽车或其他机器里,旋转得非常快,以至于你的身体被压力压在墙上或座位上。当你旋转得越来越快时,你对墙的压力就会增加。

大多数人对这种旋转力的体验可能来自游乐园,比如旋转木马。但少数人,比如宇航员和军事飞行员,在人体离心机中也会体验到同样的现象,这种机器旋转时会产生这些高“重力”,也被称为加速度。他们在战斗机上经历高速转弯、火箭发射到太空以及航天器重新进入地球大气层时迅速减速时,都能感受到这种重力。

什么是人造重力?

这种类型的旋转产生的重力就是人造重力。几十年来,科幻小说作家们一直在设想,在太空任务中,旋转宇宙飞船可以为宇航员创造人造重力。

有两个例子就是2015年的电影《火星救援》和1968年的史诗电影《2001:太空漫游》。《火星救援》的星际飞船有一个巨大的轮状部分,在地球和火星之间的旅程中旋转。当镜头放大时,你会注意飞船内的宇航员“上”总是朝向轮子的中心,而“下”,也就是“地板”,是轮子的边缘。在《2001太空漫游》中的太空站是一个旋转的空间站,它产生的人造重力相当于月球重力。

除了舒适之外,我们在远距离太空任务中需要人工重力还有很多理由。首先,在失重状态下,当宇航员到达目的地(如火星)或返回地球时,会对我们的身体有害。骨骼因失去矿物质而变软,容易骨折;肌肉萎缩;液体流向头部,引起心血管系统和肺部的变化;神经系统紊乱;近年来,太空医学研究人员在一些宇航员身上发现了可能是永久性眼睛损伤的现象。此外,有研究还表明,人类在太空中正常怀孕可能需要重力。所以任何载着人类绕太阳系长期飞行的飞船都要有人造重力,这是毫无疑问的。

研究人造重力

自20世纪60年代以来,美国宇航局的科学家们一直在考虑通过旋转的方式实现人造重力的前景。在过去的几十年里,这种努力、资金和整体的热情都有起有落。20世纪60年代,当NASA致力于将人类送上月球时,研究项目出现了激增。

在过去的半个世纪里,NASA并没有强调对人造重力的研究,但NASA内外的科学家们正在进行一系列研究。比如在国际空间站上的小离心机中旋转的老鼠安然无恙地存活了下来,而生活在地球上的人类正在学习如何适应旋转室。德国科隆的DLR航空航天医学研究所是DLR短臂离心机Module 1的所在地。这是世界上唯一一个研究重力变化影响的研究,特别是当它涉及微重力下发生的健康风险时。

为什么我们没有旋转的宇宙飞船?

但如果对人造重力的需求如此明确,为什么工程师不直接开始设计旋转船,比如《火星救援》那种?

答案是人造重力需要权衡,因为旋转会产生问题。在旋转过山车中,快速旋转时转动头部会引起恶心。在旋转的环境中,旋转也会影响内耳和身体其他部位的体液。

而且,你旋转得越快,恶心、头晕和运动问题就越严重。人造重力的大小取决于转速和旋转物体的大小。比如说造一个半径225米的轮形飞行器,以每分钟1转的速度旋转,能产生1G的重力。

相对于失重,根本没有没有足够的数据来知道人类可能需要长期的太空任务需要多大的重力,这样的数据是需要的,人类可以合理容忍多少旋转的数据也是需要的,这是正在进行的人造重力研究的基本原理。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/tianwen/446.html