人工重力，又稱人造重力，是指在太空或自由落體的環(huán)境下對(duì)地表重力效果的模擬。人工重力可以防止人類因長(zhǎng)期處于失重環(huán)境中引起的健康問(wèn)題，對(duì)長(zhǎng)期載人太空活動(dòng)尤其重要。產(chǎn)生人工重力的常用方法是通過(guò)航天飛機(jī)整體或局部的旋轉(zhuǎn)，使得太空船的乘員感受到離心力，從而模擬重力的效果。但當(dāng)前的人工重力技術(shù)尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的水平。
現(xiàn)實(shí)情況
當(dāng)前的人工重力尚未成型，還未有人工重力系統(tǒng)建造完成的消息。但是很多科幻作品里已經(jīng)有了大概的描述。
人工重力系統(tǒng)是用離心力,而地球是用萬(wàn)有引力.離心力是由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,而萬(wàn)有引力是有質(zhì)量的物體間普遍存在的吸引力產(chǎn)生的，雖然是力產(chǎn)生方式不同，但其作為力的基本屬性沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，所以可以用離心力模擬萬(wàn)有引力來(lái)產(chǎn)生重量.之所以人工重力系統(tǒng)要用離心力來(lái)模擬萬(wàn)有引力原因有二:
1.雖然有質(zhì)量的物體間都有萬(wàn)有引力,但是由萬(wàn)有引力公式可以看出,普通質(zhì)量的物體間產(chǎn)生的萬(wàn)有引力是非常小的,人工條件不可能得到重力那么大的萬(wàn)有引力,因?yàn)檎也坏劫|(zhì)量那么大的物體.
2.向心力公式和萬(wàn)有引力公式顯示,兩種力都與物體質(zhì)量成正比,與半徑成反比,力的性質(zhì)有一定的相似性
研制難點(diǎn)
重力實(shí)質(zhì)上就是慣性力，“人工重力”對(duì)超長(zhǎng)時(shí)間的航天飛行也許是必要的，但一般中短時(shí)間的航天飛行不會(huì)采用，代價(jià)太大而且實(shí)用意義不大。最簡(jiǎn)單的方法就是旋轉(zhuǎn)，一個(gè)巨大的輪形結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)輪周上就會(huì)產(chǎn)生一定的“離心力”，也就是類似重力的慣性力。但是這對(duì)飛船結(jié)構(gòu)有特殊要求，不一定符合飛船的任務(wù)要求。而且這樣的飛船極大，至少現(xiàn)在是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單的措施有：為了工作方便在艙內(nèi)加腳箍[gū]帶和扶手、“萬(wàn)能粘”等，為了視覺區(qū)分，人為地染上“天、地”色等。為了保健而穿著局部加壓服、健身機(jī)等。但效果都有限，飛行數(shù)月下來(lái)的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都無(wú)法正常站立。人工失重的實(shí)現(xiàn)則比較簡(jiǎn)單，在改裝過(guò)的飛機(jī)上，高速飛拋物線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生約一分鐘的“失重”，能讓飛行員稍微體會(huì)一下失重狀態(tài)。
興衰史
幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在設(shè)想一種巨型旋轉(zhuǎn)空間站，能夠產(chǎn)生人造重力。不過(guò)，這一夢(mèng)想一直未能成為現(xiàn)實(shí)。由于微重力狀態(tài)對(duì)宇航員的健康產(chǎn)生的不利影響以及未來(lái)將要實(shí)施的探索火星、小行星等持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的深空探索任務(wù)，打造可產(chǎn)生人造重力的航天器將成為一種必然。此外，隨著商業(yè)太空旅行業(yè)的快速發(fā)展，未來(lái)可能出現(xiàn)巨大的充氣式輪形空間站，可產(chǎn)生人造重力，讓游客享受更為舒適的太空之旅。
零重力影響宇航員健康
生活和工作在太空將對(duì)宇航員的健康造成不利影響。從國(guó)際空間站返回地球的宇航員雖然笑對(duì)記者鏡頭，但卻很難站立。空間站尚且如此，未來(lái)的火星之旅將對(duì)宇航員產(chǎn)生何種影響可想而知。火星之旅歷時(shí)數(shù)月，在忍受數(shù)月微重力(或者微重力)的影響后，登上火星表面的宇航員連蹣跚都很難做到，更不用說(shuō)走路了。
美國(guó)航空航天局生物學(xué)家沙爾米拉-布哈塔查爾婭表示：“零重力將對(duì)宇航員的健康產(chǎn)生一系列影響，例如骨密度下降，肌肉流失和視力下降。”她最近進(jìn)行的研究顯示，航天甚至?xí)?duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在太空飛行過(guò)程中，宇航員很難保持平衡，睡眠被剝奪，心臟血管的運(yùn)轉(zhuǎn)趨于緩慢，出現(xiàn)腸胃氣脹。此外，他們還會(huì)出現(xiàn)一系列太空病癥狀，例如眩暈、沮喪和乏力。布哈塔查爾婭的實(shí)驗(yàn)以及其他科學(xué)家在過(guò)去50多年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示，絕大多數(shù)癥狀都由微重力所致。
人類還沒(méi)有進(jìn)化出適于在太空生存的特征。科學(xué)家一直在進(jìn)行研究，了解和遏制失重狀態(tài)產(chǎn)生的不利影響。最近，歐洲航天局進(jìn)行了一系列臥床休息研究，了解21名志愿者在臥床休息21天后身體受到的影響。很快，美國(guó)航空航天局和俄羅斯聯(lián)邦航天局將合作實(shí)施一項(xiàng)為期一年的國(guó)際空間站任務(wù)，測(cè)試一系列對(duì)抗失重狀態(tài)的最新理論，例如加強(qiáng)鍛煉和營(yíng)養(yǎng)。
巨型旋轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生人造重力
如果人類前往火星、木星、土星的衛(wèi)星或者更遙遠(yuǎn)的天體，顯然需要尋找更為極端的解決方案。其中一個(gè)解決方案就是復(fù)活美國(guó)宇航局上世紀(jì)70年代放棄的計(jì)劃，打造擁有自身人造重力的航天器。早期的空間站設(shè)計(jì)均設(shè)想過(guò)人造重力(由巨大的旋轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生)。未來(lái)，這種空間站將越發(fā)普遍。
在1949年發(fā)表于《英國(guó)行星學(xué)會(huì)雜志》的一篇文章中，H.E。羅斯設(shè)想了一個(gè)“燃料補(bǔ)給站”，用于執(zhí)行月球探索任務(wù)。這一設(shè)計(jì)由3部分構(gòu)成，可以形象地比喻為碗、小圓面包和手臂。“碗”是一面巨大的鏡子，在設(shè)計(jì)上用于聚集陽(yáng)光，加熱水以產(chǎn)生蒸汽動(dòng)力。沒(méi)錯(cuò)，就是打造一座蒸汽動(dòng)力的空間站。“小圓面包”這部分的外形更像是一張貝果，位于鏡子后面。“手臂”從“小圓面包”一側(cè)伸出，連接對(duì)接端口。
借助于太空中的旋轉(zhuǎn)輪，人造重力或者羅斯的更準(zhǔn)確描述“假重力效應(yīng)”會(huì)以這樣一種方式產(chǎn)生：推進(jìn)器讓“碗”和“小圓面包”沿著它們的軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向心力，進(jìn)而產(chǎn)生重力。在中空輪內(nèi)的任何人都會(huì)感受到與重力類似的效應(yīng)，就好像被拖向外部的曲殼，實(shí)際上是外殼的地板將他們往上推。具體產(chǎn)生多少人造重力取決于旋轉(zhuǎn)輪的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度，尺寸越大，速度越快，產(chǎn)生的人造重力越大。
在上世紀(jì)60年代晚期的“阿波羅”號(hào)月球探索計(jì)劃末期，美國(guó)航空航天局委托宇航公司研究未來(lái)的空間站。當(dāng)時(shí)，人造重力成為所有空間站設(shè)計(jì)的一大要素。《太空飛行》雜志編輯、曾參與空間站設(shè)計(jì)的前美國(guó)宇航局工程師大衛(wèi)-貝克表示：“這些空間站研究現(xiàn)在看來(lái)非常過(guò)時(shí)。上世紀(jì)70年代中期的太空實(shí)驗(yàn)室任務(wù)證明建造一座空間站的重點(diǎn)就是進(jìn)行微重力研究。于是，放棄了人造重力這一想法。現(xiàn)在，可能有必要重新進(jìn)行研究。”
鸚鵡螺科X無(wú)奈夭折
在倫敦的英國(guó)行星學(xué)會(huì)圖書館，筆者發(fā)現(xiàn)了貝克1971年撰寫的有關(guān)人造重力項(xiàng)目的報(bào)告。其中一份報(bào)告提到了麥道公司的所謂“太空基地”，由一系列圓柱形太空艙構(gòu)成。這個(gè)基地建有一個(gè)獨(dú)立的人造重力艙段，為宇航員提供相當(dāng)于地球重力一半的人造重力。另一個(gè)與之相競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)計(jì)來(lái)自于羅克韋爾國(guó)際公司，更加雄心勃勃，采用中央芯設(shè)計(jì)，4個(gè)圓柱形太空艙從中央芯伸出，好似輪輻一樣。每一個(gè)太空艙都建有生活區(qū)和工作區(qū)。與羅斯1949年提出的設(shè)想相同，這些太空艙沿著中央軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生人造重力。
這些設(shè)計(jì)非常巨大，可容納12到50名宇航員，每人都有自己的艙室，艙室內(nèi)桌椅齊備，甚至還有一個(gè)醫(yī)務(wù)室。2011年，美國(guó)航空航天局、學(xué)術(shù)界和航天業(yè)組成的一支團(tuán)隊(duì)提出一項(xiàng)被稱之為“鸚鵡螺-X”的提議，也被稱之為“多任務(wù)太空探索飛行器”。根據(jù)他們的提議，鸚鵡螺科X將耗資37億美元，在設(shè)計(jì)上可容納6人，外形與飛行的空間站類似，裝有大型太陽(yáng)能電池板以及一系列相互連接的管道。這一設(shè)計(jì)有別于其他設(shè)計(jì)的一大差異是，一個(gè)巨大的中空輪環(huán)繞中央。這個(gè)輪與自行車的內(nèi)胎類似，由一系列堅(jiān)固的環(huán)構(gòu)成，彼此間由軟壁充氣艙段相連。在結(jié)構(gòu)上，這一設(shè)計(jì)與美國(guó)航空航天局要求畢格羅宇航公司設(shè)計(jì)的太空艙類似，后者預(yù)計(jì)于2015年安裝在國(guó)際空間站上。
鸚鵡螺-X的外形與國(guó)際空間站類似。參與這一項(xiàng)目的馬克-霍爾德曼表示：“鸚鵡螺-X將在軌道中組裝，利用組裝國(guó)際空間站過(guò)程中獲取的技能和經(jīng)驗(yàn)。”2011年，航天飛機(jī)計(jì)劃的技術(shù)應(yīng)用與評(píng)估小組(TAAT)提出了這一設(shè)計(jì)。這支團(tuán)隊(duì)將目光聚焦近期的太空探索任務(wù)，研發(fā)新技術(shù)或者延長(zhǎng)現(xiàn)有技術(shù)的壽命。他們計(jì)劃制造一個(gè)原型，安裝在國(guó)際空間站上，用于驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)，而后制造全尺寸版。霍爾德曼說(shuō)：“它將成為第一個(gè)真正意義上能夠?yàn)橛詈絾T提供人造重力的航天器。鸚鵡螺科X在設(shè)計(jì)上同樣能夠?yàn)?a href="/hebeideji/7275600158589485067.html">火星飛船的研制打下基礎(chǔ)。這種飛船將搭載9到12名宇航員前往火星。”由于探索重點(diǎn)的變化以及缺少資金，這項(xiàng)計(jì)劃最終夭折。
更簡(jiǎn)單更低廉或?yàn)榉较?/p>
由于預(yù)算減少，航天部門可能會(huì)走設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、造價(jià)更低廉的路線。如果最終做出這種決定，他們可以借鑒美國(guó)航空航天局上世紀(jì)60年代中期實(shí)施的“雙子座”任務(wù)。當(dāng)時(shí)，宇航員用繩索將太空艙與無(wú)人對(duì)接艙連接在一起，允許兩個(gè)組件彼此環(huán)繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)。為了理解這種做法遵循的理論，不妨想象一下用繩索在裝滿水的水桶內(nèi)攪動(dòng)，繩索的末端會(huì)在水桶內(nèi)產(chǎn)生向心力。
對(duì)于預(yù)算緊張的航天機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，他們還有一個(gè)費(fèi)用更低的選擇。麻省理工學(xué)院的研究人員利用一臺(tái)小型離心機(jī)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，讓桌子或者椅子旋轉(zhuǎn)。他們的想法是讓國(guó)際空間站上的類似物品旋轉(zhuǎn)，讓宇航員綁在上面旋轉(zhuǎn)，模擬重力。雖然這種裝置會(huì)讓人產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)病——尤其是在移動(dòng)頭部的時(shí)候——但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用這種裝置能夠抵消失重狀態(tài)產(chǎn)生的一系列不利影響。
貝克認(rèn)為可能存在另一種建造首艘人造重力航天器的方式。他說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，一座建在太空的酒店需要產(chǎn)生人造重力。鑒于多達(dá)50%的宇航員曾患上太空病，如果在地球軌道建酒店，人造重力將是必不可少的一個(gè)要素。”隨著商業(yè)太空旅行業(yè)的快速發(fā)展，這一想法并不像10年前那樣遙不可及。由酒店業(yè)大亨羅伯特-畢格羅創(chuàng)建的畢格羅宇航公司與美國(guó)航空航天局合作，負(fù)責(zé)為其提供首個(gè)充氣式空間站太空艙。畢格羅希望將他的房地產(chǎn)帝國(guó)的觸角延伸到軌道。也許在未來(lái)的某一天，便會(huì)看到地球軌道中出現(xiàn)巨大的充氣式輪形空間站。不過(guò)，這種空間站是為腰包豐腴的太空游客準(zhǔn)備的，而不是前往火星的探險(xiǎn)家。
未來(lái)發(fā)展
在未來(lái)的宇宙探索中，人工重力系統(tǒng)是必須的，人在失重狀態(tài)下有很多害處，在未來(lái)動(dòng)輒幾年甚至幾十年的太空探索中是不可能讓人一直處在失重狀態(tài)下的，所以人工重力系統(tǒng)的產(chǎn)生勢(shì)在必行！
當(dāng)前大多數(shù)科幻中演繹的人工重力模式暫時(shí)沒(méi)有什么理論基礎(chǔ)，現(xiàn)在及近未來(lái)的時(shí)間里只有一種實(shí)現(xiàn)方法，就是依靠旋轉(zhuǎn)的離心力來(lái)替代重力，像1968年的科幻電影《2001太空漫游》的巨大輪盤形空間站所展現(xiàn)的人工重力方式。那種不靠向心力的人工重力暫時(shí)還沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿祟悓?duì)引力的認(rèn)知還很有限。
如果統(tǒng)一論場(chǎng)論能夠建立，那么未來(lái)的太空人工重力就有可能實(shí)現(xiàn)。在自然界中包括四種基本力：萬(wàn)有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強(qiáng)相互作用力。長(zhǎng)期以來(lái)，人們有一種樸素的愿望，即世界是統(tǒng)一的，各種基本相互作用應(yīng)該有統(tǒng)一的起源。
許多近現(xiàn)代著名物理學(xué)家，如阿爾伯特·愛因斯坦、海森伯格、沃爾夫?qū)づ堇?/a>（Pauli）等，都在晚年致力于統(tǒng)一理論的研究，但是沒(méi)有取得成功。現(xiàn)在已經(jīng)知道，自然界中總共四種相互作用力，除萬(wàn)有引力之外的三種都可由量子理論來(lái)描述，電磁、弱和強(qiáng)相互作用力的形成是用假設(shè)相互交換量子來(lái)解釋的。
但是，引力的形成完全是另一回事，愛因斯坦的廣義相對(duì)論是用物質(zhì)影響空間的幾何性質(zhì)來(lái)解釋引力的。在這一圖像中，彌漫在空間中的物質(zhì)使空間彎曲了，而彎曲的空間決定粒子的運(yùn)動(dòng)。人們也在嘗試用模仿解釋電磁力的方法來(lái)解釋引力，這時(shí)物質(zhì)交換的量子稱為引力子，但這一嘗試卻遇到了理論上的很多困難。
上個(gè)世紀(jì)后半葉以來(lái)，不少科學(xué)家提出了各種大統(tǒng)一理論，希望將四種力用一種理論進(jìn)行統(tǒng)一，但都遇到這樣那樣的困難，其中只有弱力和電磁力的統(tǒng)一（稱之為電弱力）較為滿意。用規(guī)范理論統(tǒng)一四種基本相互作用是一種誘人的因素，但是在前進(jìn)的道路上也有可能遭到失敗。也許人們還會(huì)尋找新的途徑去統(tǒng)一各種基本的相互作用。通過(guò)一系列探索、失敗、成功，再探索、再失敗、再成功，不斷發(fā)現(xiàn)矛盾，解決矛盾，每一次循環(huán)都在加深著人類對(duì)自然界的認(rèn)知。
如果某天能將四種基本力成功統(tǒng)一了，人類就有可能使用電力直接制造人工重力，就像科幻電影中那樣！
國(guó)際空間站
在太空中通過(guò)旋轉(zhuǎn)某個(gè)部位可以產(chǎn)生向外的、近似重力的離心力，這就是“人工重力”
國(guó)際空間站不會(huì)采用旋轉(zhuǎn)方法創(chuàng)造人工重力，原因是：
(1)建造國(guó)際空間站的主要目的是維持科學(xué)和技術(shù)研究所需的失重環(huán)境，不需要它旋轉(zhuǎn)；
(2)達(dá)到上述目的需要有特殊的旋轉(zhuǎn)接合裝置和密封裝置，這是非常復(fù)雜、繁重和高費(fèi)用的。
(3)旋轉(zhuǎn)部位必須設(shè)計(jì)更加堅(jiān)固，使得它的重量增加；
(4)帶有旋轉(zhuǎn)部件的空間站對(duì)物體的不平衡是十分敏感的：它會(huì)像一個(gè)不平衡的輪胎開始搖晃起來(lái)，為了防止它的搖晃，必須增加附加的載荷；非旋轉(zhuǎn)部位的搖擺影響了空間站上的研究。
(5)在國(guó)際空間站這樣短半徑里產(chǎn)生的人工重力對(duì)人的內(nèi)耳的運(yùn)動(dòng)/方位感覺器官是一種不舒服的刺激，例如它產(chǎn)生的古斯塔夫·科里奧利力和加速度可以刺激人的內(nèi)耳。但是，在國(guó)際空間站的一個(gè)艙(凸輪)里，有一個(gè)2.5米臂長(zhǎng)的離心機(jī)，可以對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行研究，研究在物理、化學(xué)和生物過(guò)程的不同階段重力所起的作用。
參考資料 >
科學(xué)家要“人造”重力 把重力帶上飛船_手機(jī)網(wǎng)易網(wǎng).網(wǎng)易網(wǎng).2022-02-09
人體重力“游戲”成功解決四代機(jī)研制中的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn).今日頭條.2022-02-09
人造重力興衰史：未來(lái)或建巨型旋轉(zhuǎn)空間站(圖)|重力|空間站_科學(xué)探索_科技時(shí)代_新浪網(wǎng).新浪網(wǎng).2022-02-09
國(guó)際空間站將首次出現(xiàn)人造重力？NASA已取消，俄羅斯卻開始行動(dòng)了.今日頭條.2022-02-09