中國航天報(bào)

近日，馬斯克提出暢想，未來“星艦”奔赴火星途中，將會(huì)小幅旋轉(zhuǎn)，從而在艙室地板向下的方向產(chǎn)生一定的人造重力。人造重力一旦成真，將在航天任務(wù)中發(fā)揮哪些優(yōu)勢？有哪些相對(duì)可行的制造方法？科研人員為此需要克服哪些困難呢？

▲“星艦”旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重力示意圖。

航天員期盼“保護(hù)神”

航天員在軌工作時(shí)，“萬物飛揚(yáng)”的景象令地球上的航天迷心馳神往。殊不知，失重狀態(tài)有可能給載人航天器與航天員帶來不小的麻煩。

在近似無重力狀態(tài)下，載人航天器的很多機(jī)械儀器儀表無法正常使用，包括滾珠類軸承、擺錘鐘表等依賴重力作用工作的器材。此外，載人航天器中的設(shè)備布置與管線固定也會(huì)顯得局促，造成可靠性下降和成本上升，畢竟失重引發(fā)的設(shè)備與電纜位移或許潛藏著不容忽視的隱患。

美國宇航局的一份載人航天事故統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，因固定插銷或鎖紐不到位，導(dǎo)致航天器內(nèi)部出故障的情況，占總數(shù)的1/3還多，這也是航天員的日常維護(hù)檢修工作最容易遺留的麻煩。如果人造重力技術(shù)獲得突破，那么對(duì)載人航天器工作安全無疑是福音。

更重要的是，長期失重狀態(tài)會(huì)對(duì)航天員的生命健康造成重大威脅。一方面，失重會(huì)促使人體血液過多地流向與滯留在腦部，易形成血栓，危及生命。另一方面，骨骼在這種環(huán)境中會(huì)逐漸疏松，肌肉也會(huì)逐漸萎縮。

在某次跨國健康調(diào)研中，37名在國際空間站長期工作的航天員被檢查出8%～17%不等的肌肉萎縮現(xiàn)象。要知道，這些專業(yè)航天員長期在地面接受嚴(yán)格訓(xùn)練，在空間站上還可以使用簡易健身器材，但仍無法阻止生理機(jī)能的消極變化。所以，我們經(jīng)?？吹?，航天員返回地球后需要被救援人員抬出來，這正是為了他們的健康安全考慮。蘇聯(lián)航天員曾因出艙后站立接受獻(xiàn)花，意外摔倒受傷。

此外，近似無重力的生活環(huán)境還會(huì)對(duì)航天員的生理機(jī)能造成多方面消極影響，如睡眠質(zhì)量下降、食欲不振、味覺退化、注意力和判斷力受干擾等。曾有不止一位航天員透露，即使在太空中將自己固定起來，但飄浮感仍迫使自己經(jīng)常從夢中驚醒。類似情況隨著太空滯留時(shí)間增加，勢必會(huì)更加明顯，從而妨礙航天員工作生活。

可以說，人造重力是航天員期盼已久的“保護(hù)神”。它有望一勞永逸地解決“失重病”，幫助人類以更矯健的步伐、更健美的體態(tài)向更深遠(yuǎn)的宇宙邁進(jìn)。

思路不同 各具特色

在60多年載人航天發(fā)展史上，人造重力解決方案成為無數(shù)航天科研人員的攻關(guān)方向，也為大量科幻創(chuàng)作者發(fā)揮想象力提供了題材。綜合來看，至少有3種解決方案具有理論上的可行性。

其一，加速度模擬重力方案。

日常生活中，我們之所以感受到重力，是因?yàn)榈厍蛞o了我們向下的9.8米/秒的加速度，設(shè)定單位為g。如果我們坐過山車由低點(diǎn)沖向高點(diǎn)，向上的加速度大小在某個(gè)時(shí)刻會(huì)接近重力加速度g，從而給我們帶來類似失重的飄飄欲仙之感。

與之相似的是，在失重的太空環(huán)境中，如果飛船能夠垂直于艙面給出一個(gè)向上的加速度，那么站立在艙面上的航天員就會(huì)感覺“恢復(fù)地球重力”。這就像我們乘電梯上樓，當(dāng)電梯以1g的加速度向上提升時(shí)，如果地球引力突然消失，我們多半會(huì)從近似失重狀態(tài)“解脫”，以為“電梯未動(dòng)”。假如這部電梯的轎廂變得透明，我們就會(huì)震驚地發(fā)現(xiàn)，其實(shí)電梯正在風(fēng)馳電掣地向上提升。

在此方案中，載人航天器有必要配備多部矢量發(fā)動(dòng)機(jī)，其中部分推力用于模擬地球重力而產(chǎn)生1g加速度。

其二，離心力模擬重力方案。

為了便于理解該方案，我們可以向空礦泉水瓶中丟進(jìn)幾粒小石子，然后以肩膀?yàn)橹行?，手臂為半徑，進(jìn)行大風(fēng)車式輪轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠快時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，小石子被牢牢地固定在瓶子底部。

我們將場景換一下，在太空中，“瓶子”是載人航天器乘員艙，“小石子”就是航天員。最早想出這種方案的人很可能是馮·布勞恩，他提出的空間站設(shè)計(jì)主體是一個(gè)直徑近60米的“摩天輪”，由核動(dòng)力保障其始終具備一定的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)動(dòng)可以使艙內(nèi)航天員受離心力影響，“腳踏實(shí)地”在艙面上。按照他的設(shè)想，“摩天輪”只要調(diào)整轉(zhuǎn)速，就有希望模擬出地球重力。

這種轉(zhuǎn)輪式空間站設(shè)想被眾多科幻作品認(rèn)可，我國科幻大片《流浪地球》系列中的巨型空間站就是它的特效成像：當(dāng)空間站正常運(yùn)行時(shí)，航天員們可以像在地球上一樣正常行走；當(dāng)空間站即將毀掉時(shí)，內(nèi)部失重，人和設(shè)備、碎片都會(huì)飄浮起來。

▲《流浪地球》中的轉(zhuǎn)輪式空間站。

其三，電磁力模擬重力方案。簡單地說，太空中的載人航天器加裝特殊設(shè)備，產(chǎn)生電磁場，也就是制造人工磁場與定向電流。航天員們穿戴特殊的感應(yīng)服裝，承受電磁力，就像感受到地球引力一樣，被穩(wěn)穩(wěn)地“壓”在載人航天器的艙面上。

▲航天器利用電磁場獲取人造重力想象圖。

從中學(xué)課本里，我們知道，電流、磁場和力往往是相生相伴的，還可以互相轉(zhuǎn)換。其實(shí)，電磁力已被運(yùn)用到了很多領(lǐng)域，包括磁懸浮列車、航母電磁彈射器等，設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和可靠性仍在不斷進(jìn)步。既然電磁力能夠輕松、穩(wěn)定地推動(dòng)數(shù)十噸的飛機(jī)和數(shù)百噸的列車，至少在理論上同樣可以成為太空中的人造重力之源。

難點(diǎn)不少 有待突破

常言道，順勢而為，事半功倍。不過，從某種程度上說，人造重力屬于“逆勢而為”，難度可想而知。盡管航天技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但人造重力仍未在太空中成真。以上述3種人造重力解決方案為例，它們各自面臨一些缺陷和難關(guān)，有待技術(shù)突破。

加速度模擬重力方案看似最為簡單可行，但想要讓載人航天器乘員艙長時(shí)間保持模擬重力環(huán)境，那么至少一部分發(fā)動(dòng)機(jī)必須持續(xù)輸出足夠的定向推力?？上攵@種持之以恒的消耗是常規(guī)航天燃料與現(xiàn)役載人航天器攜帶量所無法承受的。

另外，載人航天器在某個(gè)方向保持1g加速度，隨著飛行時(shí)間延長，其速度必然越來越快，承受的阻力和熱量也會(huì)越來越大，載人航天器的結(jié)構(gòu)和材料必然面臨苛刻考驗(yàn)。即使是在理想情況下，載人航天器使用這種方法也僅能為航天員提供人造微重力環(huán)境，而且很可能是間斷性的。

有方案提出，將乘員艙設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)式，在載人航天器加速與減速之間實(shí)現(xiàn)頻繁的“天地轉(zhuǎn)換”，有望降低可持續(xù)性指標(biāo)要求?？上攵@種復(fù)雜設(shè)計(jì)即使成真，航天員的體驗(yàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)稱不上舒適。

至于科幻愛好者最推崇的“摩天輪”方案，最大的難點(diǎn)是制造與對(duì)接的難度。一次性將直徑近百米的圓形巨物送入太空，恐怕超出了可預(yù)見時(shí)期內(nèi)的航天運(yùn)輸能力。相對(duì)合理的辦法是分段運(yùn)輸上天、在軌對(duì)接成型，但想要確保較大弧度的大部件在太空中精準(zhǔn)對(duì)接，對(duì)技術(shù)、工藝和操作經(jīng)驗(yàn)都將是嚴(yán)峻考驗(yàn)。

另一個(gè)辦法是向已有的空間站輸送大量更細(xì)小的部件，由航天員像“愚公移山”一樣在軌組裝。可想而知，這類任務(wù)需要消耗不計(jì)其數(shù)的人力物力，背后要求廉價(jià)太空運(yùn)輸技術(shù)、人工智能技術(shù)、航天材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等取得顯著進(jìn)步，牽涉之廣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建造太空“摩天輪”本身。

那么將電磁力轉(zhuǎn)化成人造重力如何呢？在高電場強(qiáng)磁場環(huán)境中，航天服保護(hù)航天員比較“吃力”，而載人航天器的設(shè)備儀器克服電磁干擾同樣艱難，現(xiàn)有屏蔽技術(shù)與隔離措施無法滿足要求。

此外，在可預(yù)見的技術(shù)水平下，為了提供人造重力而配備的電磁感應(yīng)系統(tǒng)必然體積、質(zhì)量巨大，導(dǎo)致載人航天器的制造難度和成本大幅上升。長時(shí)間穩(wěn)定的電磁力輸出與控制同樣對(duì)可靠性提出了苛刻的要求。

這樣看來，人造重力服務(wù)于航天任務(wù)似乎還比較遙遠(yuǎn)。不過，在技術(shù)飛速進(jìn)步的同時(shí)，諸多奇思妙想也呈現(xiàn)在航天科研人員的腦海中，相信人造重力終將成真，助力航天員踏上漫長的星際征途。

本文原載于《中國航天報(bào)·飛天科普周刊》

文/孫飛

原標(biāo)題：《“星艦”或?qū)⑿D(zhuǎn)模擬重力，除了旋轉(zhuǎn)，還有哪些可行方法？》

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