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人類什麽時候能夠實作在太空建造可以模擬地球重力的空間站或飛船?

2021-11-27知識

只要有經費,二十世紀就能。

  • 1966 年 3 月的雙子座 8 號任務中,電路故障造成飛船的一個推進器持續點火,讓飛船高速自轉、在數分鐘間給了太空人 4 倍標準重力的效果,導致任務緊急中止、提前返回地球。
  • 現在提供經費的話,下個月就能將龍飛船之類射上天並自轉——空間站方面,今年剩下的三十幾天時間不足以建造。

    現實中,由於經費限制,自旋航天器難以實作題目裏「加速人類開發宇宙的步伐」的美好願望:為了給一條這樣的航天器撥款,其他很多專案將被砍掉。

    齊奧爾科夫斯基在 1903 年描述了利用旋轉在太空中制造人工重力的方法。用離心機的旋轉模擬重力和產生高加速度早已在現實中用來訓練飛行員和太空人,你也可以在遊樂園裏體驗離心機或過山車。

    1966 年 9 月,美國在雙子座 11 號任務中讓太空人在太空嘗試了透過旋轉產生微小的模擬重力,效果確實可見。

    1968 年以來,電影·電視劇·漫畫裏出現的旋輪空間站和旋轉部件航天器多使用 NASA 在 1959~1975 年放出的概念設計。

    1962 年 NASA 自旋空間站概念圖
    1964 年 NASA 建造的直徑 7.3 米的旋輪航天器模型
    1975 年美國航空航天局夏季研究的過程中,史丹福大學提出的史丹佛環面太空殖民地

    現在還沒有造過靠全船或部件自轉產生模擬重力來幫助太空人對抗微重力給身體造成的損傷之宇宙飛船或空間站,因為那對尺寸和成本的要求比現在的航天器要高得多:

    靠旋轉在環形結構的內表面產生標準重力的效果而且轉得不太快,需要內徑 112 米、每分鐘旋轉 4 圈,或是內徑 448 米、每分鐘旋轉 2 圈。美國已經設計過一批使用旋轉部件的航天器,但出於資金和技術上的考慮,至今還沒有動手制造過一艘成品——它們並不超出 NASA 的技術能力,但是超出可以接受的預算範圍,在能容忍的預算之內技術又不夠。

    載具旋轉時,科裏奧利效應會導致內耳紊亂,在許多情況下會造成眩暈、惡心和方向辨識障礙,幹擾太空人工作。常人能直接無視的旋轉速度在每分鐘 2 圈之內。實驗顯示,這是可以在旋轉的房間內發生適應的:

    經過 10 到 20 次定向移動身體的嘗試,人腦會找到模式並自動修正每分鐘 25 轉下的偏斜。

    在旋轉停止後,該自動修正會引起相反的偏斜,需要再嘗試 10 到 20 次來調整。

    可以參照:

    在小型航天器或航天器上的部份艙段裏搞自旋還造成頭和腳受力不一致,這個狀態鍛煉身體還可以接受,但目前也不清楚間歇性接受高重力能不能抵消其它時間裏微重力的影響。

  • 對旋轉區域內徑 20 米的離心機來說,每分鐘旋轉約 10 圈可以在平均身高人類男性的臀部高度產生標準重力的效果(此時腳上是 1.1 倍標準重力的效果),每分鐘旋轉 13.3 圈可以產生 2 倍標準重力的效果。