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人造重力很难吗?解决宇航员站不起来,为什么空间站不模拟重力?

发布日期:2021-09-26 11:22    点击次数:64

2021年9月17日13时34分,神州十二号以前所未有的精度降落内蒙古东风着陆场,在着陆后3分钟左右搜救人员就到达现场,整个任务已经达到了飞船回收所能达到的极致,也让全球航天为之侧目。

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随后航天员在飞船着陆现场接受了采访,也是航天员返回地球举行的欢迎仪式,但相信有一幕应该深深刺痛了大家,返回地球的航天员都是坐在椅子上的,而在其他回收现场,甚至是抬着航天员走向后勤车。

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对于熟悉航天医学的朋友都知道,这是飞船与空间站内长期失重造成常见现象,几乎所有的航天员返回地球都需要一个比较长的适应过程,在天上待得越久,其恢复时间也越久!严重影响了生活与工作,能在天上模拟出一个重力环境吗?让以后的空间站任务就像出趟差那么简单!

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长期失重对人体影响有多大?

失重很好玩,飞来飞去,搬个重物不要太轻松,但事实上航天员却没心情玩!而且长时间在这个环境下,对人体影响会相当大:

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首先第一个就是人体前庭器官的位置传感器失效,会有非常严重的眩晕,不过这个问题适应下也就差不多了,比较麻烦的事情在后面,长期失重下,有几个问题,第一个是身体舒展,在地球上就算你躺着也费劲,但失重不会,肌肉无需保持紧张感。

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所以肌肉萎缩会随之发生,第二个严重问题是血液减少,红细胞减少!因为失重后体液重新分布,跑到上半身,身体感觉血液多了就会自动调节体液功能,但总血量与红细胞减少会引发心率不齐甚至心肌缺氧等心脏功能障碍等。

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其他的还能导致免疫力下降,比地球上更容易生病,失重也容易导致钙质大量流失等等,当然在太空中锻炼可以解决肌肉萎缩的问题,使用负压裤也能给解决血液量减少的问题,还有使用药物也能补钙以及改善免疫力,但这些手段都只能改善却无法彻底解决,就没有一劳永逸解决的办法吗?

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如何模拟重力环境,国际空间站的重力舱为何取消?

说你模拟重力环境,各位一定记得国际空间站有一个离心重力舱被取消了,它究竟是什么原理,为什么又会被取消呢?

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国际空间站的重力舱仅仅停留在计划中,甚至都还没有实施,它的原理是利用离心力来模拟重力环境,但由于结构比较小,受制于火箭的整流罩直径无法制造得太大,经过评估后取消了这个舱室,但至少告诉了大家一个可能,在太空制造人工重力是有可能的!

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模拟重力环境,有几种可能?

重力环境非常特殊,在地球上上司空见惯的现象,在空间站却没有,这里的绕地产生的离心力和重力相等,所以处在失重或者称微重力状态,一般来说在失重状态下模拟重力有几种方式:

1、1个G的加速度不断加速或者以1个G的加速度不断减速

2、用离心力来模拟重力环境;

3、制造重力场的方式来重建重力环境;

第一个在火箭发射时或者在航天器返回地球都会遭遇过载,前者是加速度产生,后者减速过快产生,但问题是一个需要不断加速,另一个需要不断减速,前者大约一年多点就会接近光速!

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所以似乎可以这样玩,不断加速,然后快到光速了再掉头不断减速,然后反复!估计为了模拟重力,不知道要消耗多少燃料,再有钱也不能这样烧,所以是行不通的。

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在科幻片中经常可以看到人直接站在飞船上,从理论上来看在飞船上制造一个重力场确实可以,但重力环境就现在而言,需要一个将达的质量体来实现,比如地球那么大才能提供1个G的重力环境,带着地球走?还要飞船干什么?除此以外,似乎很难想象还有其他技术可以实现。

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最后就只剩下了“离心力”模拟这种方式

大家都知道“离心力”这种方式,比如在杂技场上摩托车能在巨大的垂直环形内壁内行驶,利用的就是“离心力”,因此只要制造一个类似国际空间站的模拟重力舱即可实现,而且结构简单,要多大重力,只需要调整转速即可!

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但是问题来了,人站在离心结构模拟上,一般的理解就是头部指向旋转中心,脚下则与接触点切线方向垂直,此时你会发现一个问题,头部所收到的离心力和脚底部位是不一样的。所以这个时候前庭器官感受到的位置状态和脚下的状态存在差异,会非常不舒服。

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另一个则是由于模拟重力环境的尺寸不够大,所以要足够的离心力来模拟重力环境的话,需要比较高的转速,此时会因为前庭器官的同时还明显感觉到了位移以及空间位置的变化,很快就会眩晕,这种环境下待久了估计人得发疯!

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用离心力来模拟舒适的重力环境,需要多大的结构?

因此一定要有足够大的环境来模拟重力环境,那么究竟要多大的结构呢?这是可以计算出来的,比如人的前庭器官对旋转感觉比较明显,一定要比较慢一点,每分钟超过三转就会感觉不舒服,因此要将转速控制在1.5~2圈/分。另一个则是重力环境,我们不需要模拟1:1的重力,只需0.5G即可,那么只需如下计算:

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0.5G的环境即为:4.9M/S^2

w要求为2转/分,换算成弧度约0.2094395弧度/秒

那么可以得出所需要的半径为R=111.7M

各位可是要看仔细了,这是半径!比国际空间站的宽度还要大(国际空间站长度是太阳翼尺寸,宽度是舱室尺寸),所以想要在太空实现重力环境,得造一个直径大约220多米的空间站。

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究竟用什么结构比较好?

圆环形显然是最合适的,中心对称看起来也美观,比如在《火星救援》中的“赫尔姆斯号”飞船,中间就有一个环形的生活舱,它能在从地球到火星的途中提供一个重力环境。

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《星际穿越》中的“永恒号”则是多个舱室连接起来的环形,毕竟在太空中无所谓气动外形,只要能达到足够的向心加速度,那么只需在旋转时配平即可。

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还有个典型的结构则是《阿凡达》中的长杆状,它的中心位于“创业之星号”的轴心上,以每分钟2-3圈的速度绕着运行,如此速度下横杆的长度可以降低一些,但会牺牲舒适度或者降低重力加速度。

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《太空旅客》中的“阿瓦隆号”则是整体螺旋状,飞船飞行的时候滚转模拟产生重力。

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四种结构都比较不错,但前两种的结构,直径为220米的圆环,周长达到了691米,显然是一个超级工程,而最后一种“阿瓦隆”飞船,显然不是人类现在的技术所能制造,因此在当前状态下最容易实现的是长杆型的模拟重力舱。

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长杆状就是模拟重力舱

比如降低要求,只需要0.2G的环境,转速在2圈左右的情况下,其长杆回转半径可以减小到44.68米,也就是长杆的长度为89米左右,基本上现在的国际空间站转起来即可满足要求!

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当然空间站不是没法转,它只是并非按旋转产生重力的结构设计,如果要产生重力环境的话必须要专门为重力环境设计沿着长杆设计梯度模拟重力环境的舱室,越靠近中间重力越微弱,越靠近两端重力约大,在长杆的顶端达到最大“重力环境”为0.2G。

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为什么要环形和长杆型,球形行不行?

在模拟产生重力的环境下,球形并不是一个合适的形状,除了在“赤道”位置两端有合适的模拟重力外,其他位置会产生并非垂直于地板的“分力”,比如参考《太空无垠》中的谷神星空间站,倒个水都要歪出去很远。

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其实早在上世纪70~80年代的“太空大航海时代”早就规划设计了超级环形空间站,有长圆筒状的,有超级环形的,在《极乐空间》中这样的空间站,上世纪的科学家早就想象过了,实在是非常壮观。

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但就现在而言,长杆状是最接近现实的选择,其实现成本也最低!长杆围绕中心可以不设计机械密封旋转装置(未来对接非常麻烦,对接前可以先停转),也可以设计成具有中心舱室的结构,使用连接机构保持中心不转,但会存在连接机械结构的问题,显然前者结构简单。

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延伸阅读:如何制造零重力环境?

重力环境在地面上是不需要模拟的,反而要模拟零重力环境以供训练与实验,一般现代零重力环境有几种实现方式,一种是自由落体,另一种使用飞行器在跃升到高空到下降时保持一定的上升与下降速率来模拟失重环境。

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前者时间自由落体时间可以通过高度计算出来,后者也可以根据飞行器的跃升曲线以及极限升限计算出来,但很显然时间都比较短(使用飞机模拟时间长一些),而且零重力模拟成本比较高,比如欧洲的零重力航班,票价每人超过6000美元!



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