人造重力的興衰

□ 孝文

幾十年來，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，這一夢想一直未能成為現(xiàn)實。由于零重力狀態(tài)對航天員的健康產(chǎn)生的不利影響以及未來將要實施的探索火星、小行星等持續(xù)時間更長的深空探索任務(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。

零重力影響航天員健康

生活和工作在太空將對航天員的健康造成不利影響。從國際空間站返回地球的航天員雖然笑對記者鏡頭，卻很難站立。空間站尚且如此，未來的火星之旅將對航天員產(chǎn)生何種影響可想而知。火星之旅歷時數(shù)月，在忍受數(shù)月零重力（或者微重力）的影響后，登上火星表面的航天員連蹣跚都很難做到，更不用說走路了。

美國航宇局生物學(xué)家沙爾米拉·布哈塔查爾婭表示：“零重力將對航天員的健康產(chǎn)生一系列影響，例如骨密度下降、肌肉流失和視力下降?！彼罱M(jìn)行的研究顯示，太空飛行甚至?xí)γ庖呦到y(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在太空飛行過程中，航天員很難保持平衡，睡眠被剝奪，心臟血管的運轉(zhuǎn)趨于緩慢，出現(xiàn)腸胃氣脹。此外，他們還會出現(xiàn)一系列太空病癥狀，例如眩暈、沮喪和乏力。布哈塔查爾婭的實驗以及其他科學(xué)家在過去50多年進(jìn)行的實驗顯示，絕大多數(shù)癥狀都由零重力所致。

人類還沒有進(jìn)化出適于在太空生存的特征?？茖W(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，歐洲空間局進(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，美國航宇局和俄羅斯聯(lián)邦航天局將合作實施一項為期一年的國際空間站任務(wù)，測試一系列對抗失重狀態(tài)的最新理論，例如加強(qiáng)鍛煉和營養(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，我們顯然需要尋找更為極端的解決方案。其中一個解決方案就是復(fù)活美國航宇局上世紀(jì)70年代放棄的計劃，打造擁有自身人造重力的航天器。早期的空間站設(shè)計均設(shè)想過人造重力（由巨大的旋轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生）。未來，這種空間站將越發(fā)普遍。

在1949年發(fā)表于《英國行星學(xué)會雜志》的一篇文章中，H.E.羅斯設(shè)想了一個“燃料補(bǔ)給站”，用于執(zhí)行月球探索任務(wù)。這一設(shè)計由3部分構(gòu)成，可以形象地比喻為碗、小圓面包和手臂?！巴搿笔且幻婢薮蟮溺R子，在設(shè)計上用于聚集陽光，加熱水以產(chǎn)生蒸汽動力。沒錯，就是打造一座蒸汽動力的空間站?！靶A面包”這部分的外形更像是一張百吉餅，位于鏡子后面?！笆直邸睆摹靶A面包”一側(cè)伸出，連接對接端口。

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)的任何人都會感受到與重力類似的效應(yīng)，就好像被拖向外部的曲殼，實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”號月球探索計劃末期，美國航宇局委托宇航公司研究未來的空間站。當(dāng)時，人造重力成為所有空間站設(shè)計的一大要素?！短诊w行》雜志編輯、曾參與空間站設(shè)計的前美國航宇局工程師大衛(wèi)·貝克表示：“這些空間站研究現(xiàn)在看來非常過時。上世紀(jì)70年代中期的太空實驗室任務(wù)證明建造一座空間站的重點就是進(jìn)行微重力研究。于是，我們放棄了人造重力這一想法。現(xiàn)在，我們可能有必要重新進(jìn)行研究?！?/p>

鸚鵡螺-X無奈夭折

在倫敦的英國行星學(xué)會圖書館，存有貝克1971年撰寫的有關(guān)人造重力項目的報告。其中一份報告提到了麥克唐納·道格拉斯公司的所謂“太空基地”，由一系列圓柱形太空艙構(gòu)成。這個基地建有一個獨立的人造重力艙段，為航天員提供相當(dāng)于地球重力一半的人造重力。另一個與之相競爭的設(shè)計來自于北美羅克韋爾公司，更加雄心勃勃，采用中央芯設(shè)計，4個圓柱形太空艙從中央芯伸出，好似輪輻一樣。每一個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。

藝術(shù)概念圖，展示了可產(chǎn)生人造重力的航天器，外形好似巨大的旋轉(zhuǎn)輪

“斯坦福環(huán)”（Stanford-Torus）的整體結(jié)構(gòu)像一個巨大的輪胎，在飛行的過程中能夠不停的緩慢旋轉(zhuǎn)，用于產(chǎn)生人造重力

用于超重訓(xùn)練的離心機(jī)

□ 孝文

相互連接的一個個獨立的艙室結(jié)構(gòu)共同圍繞零重力中心旋轉(zhuǎn)。每一個艙室中都包含有居住區(qū)、功能區(qū)、公共休閑區(qū)以及開展研究的區(qū)域

畢格羅公司推出的充氣式太空艙

鸚鵡螺-X的概念圖

多任務(wù)太空探索飛行器

這些設(shè)計非常巨大，可容納12名到50名航天員，每人都有自己的艙室，艙室內(nèi)桌椅齊備，甚至還有一個醫(yī)務(wù)室。2011年，美國航宇局、學(xué)術(shù)界和航天業(yè)組成的一支團(tuán)隊提出一項被稱之為“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-X將耗資37億美元，在設(shè)計上可容納6人，外形與飛行的空間站類似，裝有大型太陽能電池板以及一系列相互連接的管道。這一設(shè)計有別于其他設(shè)計的一大差異是，一個巨大的中空輪環(huán)繞中央。這個輪與自行車的內(nèi)胎類似，由一系列堅固的環(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)計與美國航宇局要求畢格羅宇航公司設(shè)計的太空艙類似，后者預(yù)計于2015年安裝在國際空間站上。

鸚鵡螺-X的外形與國際空間站類似。參與這一項目的馬克·霍爾德曼表示：“鸚鵡螺-X將在軌道中組裝，利用組裝國際空間站過程中獲取的技能和經(jīng)驗?！?011年，航天飛機(jī)計劃的技術(shù)應(yīng)用與評估小組（TAAT）提出了這一設(shè)計。這支團(tuán)隊將目光聚焦近期的太空探索任務(wù)，研發(fā)新技術(shù)或者延長現(xiàn)有技術(shù)的壽命。他們計劃制造一個原型，安裝在國際空間站上，用于驗證這一設(shè)計，而后制造全尺寸版?；魻柕侣f：“它將成為第一個真正意義上能夠為航天員提供人造重力的航天器。鸚鵡螺-X在設(shè)計上同樣能夠為火星飛船的研制打下基礎(chǔ)。這種飛船將搭載9名到12名航天員前往火星?！庇捎谔剿髦攸c的變化以及缺少資金，這項計劃最終夭折。

更簡單更低廉或為方向

由于預(yù)算減少，航天部門可能會走設(shè)計更簡單、造價更低廉的路線。如果最終做出這種決定，他們可以借鑒美國航宇局上世紀(jì)60年代中期實施的“雙子座”任務(wù)。當(dāng)時，航天員用繩索將太空艙與無人對接艙連接在一起，允許兩個組件彼此環(huán)繞對方旋轉(zhuǎn)。為了理解這種做法遵循的理論，你不妨想象一下用繩索在裝滿水的水桶內(nèi)攪動，繩索的末端會在水桶內(nèi)產(chǎn)生向心力。

對于預(yù)算緊張的航天機(jī)構(gòu)來說，他們還有一個費用更低的選擇。麻省理工學(xué)院的研究人員利用一臺小型離心機(jī)進(jìn)行了一系列實驗，讓桌子或者椅子旋轉(zhuǎn)。他們的想法是讓國際空間站上的類似物品旋轉(zhuǎn)，讓航天員綁在上面旋轉(zhuǎn)，模擬重力。雖然這種裝置會讓人產(chǎn)生運動病——尤其是在移動頭部的時候——但實驗結(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：“毫無疑問，一座建在太空的酒店需要產(chǎn)生人造重力。鑒于多達(dá)50%的航天員曾患上太空病，如果在地球軌道建酒店，人造重力將是必不可少的一個要素?！彪S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航宇局合作，負(fù)責(zé)為其提供首個充氣式太空站太空艙。畢格羅希望將他的房地產(chǎn)帝國的觸角延伸到軌道。也許在未來的某一天，我們便會看到地球軌道中出現(xiàn)巨大的充氣式輪形空間站。不過，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家。