如何制造人工重力?为什么空间站没有使用人工重力?

发布网友发布时间：2022-10-26 00:23

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热心网友时间：2023-09-12 15:15

虽然太空中的失重是一种非常奇妙的体验，但是如果人类长时间地呆在失重的环境里，身体就会出现各式各样的问题，例如肌肉萎缩、骨密度下降等等，所以人类想要真正地进入星辰大海，就必须要有人工重力技术才可以。

其实制造人工重力的方法早就有了，早在100多年前，被人们誉为航天之父的齐奥尔科夫斯基就提出，我们可以利用物体旋转所产生的“离心力”来模拟重力。需要注意的是，“离心力”为了方便描述非惯性参考系而引入的一种虚拟力，其本质是物体惯性的体现。

如上图所示，当我们用绳子牵引着一个水桶围绕着自己以一定的速度旋转时，水桶里的水是不会洒出来的，而之所以会出现这样的现象，就是因为水桶里的水受到了“离心力”的作用。

同样的道理，如果我们把太空中的空间站做成环形，并让它旋转起来，那么身处其中的人类也会感受到“离心力”将自己“推”向空间站的外壁，而人类通常都是将自己当作参考系（即默认自己是静止的），在这种情况下，人类就可以稳稳地站在空间站的外壁上，就像感受到重力一样。

从理论上来讲，用“离心力”来模拟重力是完全行得通的，在一些科幻作品中也出现过这种空间站。然而在现实世界中，尽管人类也拥有空间站，却都没有采用这种设计，这是什么原因呢？

空间站想要通过旋转在太空中完美地模拟地球表面的重力（即标准重力），就必须使“离心力”与之相等，重力可用公式F=mg来描述，“离心力”可用公式F=mrω^2来描述，其中m代表物体的质量，g代表地球表面的重力加速度（9.8m/s^2），r代表旋转半径，ω代表角速度。

角速度又可用公式ω=2π/t来描述，其中t代表旋转系统转一圈所需要的时间（单位为秒），经过简单地推导，我们可以得出这样一个公式：根号下(9.8/r)=2π/t，这可以帮助我们描述当空间站产生的人工重力与地球表面重力相等时，其旋转半径与旋转速度之间的关系。

例如当r等于10米的时候，t就等于6.35秒，也就是说，我们只需要建造一个旋转半径为10米的空间站，并让它每6.35秒旋转一圈，就可以产生标准重力的效果。但真有这么简单吗？答案是否定的。

首先就是人工重力的梯度问题，由于“离心力”的大小与旋转半径是正比例关系，而人类是有身高的，因此旋转半径越小，人类的头部和脚所受到的人工重力的差距就会越明显。除此之外，“科里奥利力”对人类的影响也不可小觑。

如上图所示，由于惯性，在旋转体系中进行直线运动的物体会具有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但旋转体系本身又在旋转，所以如果旋转体系的视角去观察，就会发现该物体并没有走直线，就好像这个物体受到了某种力的作用一样。

这种力就被称为“科里奥利力”，需要指出的是，“科里奥利力”本质上依然是物体惯性的体现，所以这也是一种虚拟的力。很明显，人类只要在旋转的空间站里运动，就会受到“科里奥利力”的影响，而因为其大小与旋转速度是正比例关系，所以旋转速度越高，人类受到的影响就越大。

这就意味着，一个旋转半径过小，或者旋转速度过快的空间站是不适合人类的，如果人类身处这种空间站里，轻则会出现眩晕、恶心以及方向识别障碍，重则直接昏迷。所以我们必须建造一个旋转半径足够大的空间站，并将其旋转速度*在人类可以接受的范围内，具体是多少呢？

相关研究表明，当旋转速度低于30秒/圈时，“科里奥利力”对人类的影响就可以忽略不计，根据前面的公式可以计算出，在这种情况下，旋转半径需要达到大约224米才可以产生与标准重力相当的人工重力。

从技术的角度来看，这种使用人工重力的空间站是可以制造出来的，在过去的日子里，科学家也曾经尝试过设计使用人工重力的空间站，但最终都放弃了，为什么呢？原因就是资金预算太过巨大。

（图为1962年时NASA提出的旋转空间站概念图）

以人类目前的科技水平，要将质量为1公斤的物体发射到太空中去，至少需要4600美元的发射成本，而一个半径224米的巨型空间站，其质量少说也有2万吨，所以我们要将这个空间站发射到太空中，就至少需要花费920亿美元。

而一个如此巨大的空间站，其研发、制造以及后期维护的成本也必定会非常高，估计再怎么也需要上千亿美元。很明显，这是一个令人无法接受的数字，而这也就是现在的空间站没有使用人工重力的原因。