建造產生和地球一樣重力的環形太空飛行器,它的旋轉速度要多快?

2021-01-08 失落代號

在太空中工作生活，面臨的其中一個大問題就是無重力。無重力環境下對人體血液循環、骨骼、肌肉等都產生不利影響，因此要長期在太空生活，人造重力是很有必要的。

太空中實現人造重力最簡單也是最可行的方法就是旋轉，用離心力代替重力。這在生活中很常見，我們拿個「7」字型物體在手指上旋轉，它並不會掉下來。 在不少科幻電影中，我們見過類似的太空飛行器結構，比如《火星救援》中赫爾墨斯號(Hermes)。

赫爾墨斯號

既然人造重力這麼容易製造，那麼問題來了，現在的太空空間站不搞成旋轉環形呢？

一、地球重力

我們知道地球上重力的計算公式G=mg，其中m為物體質量，g為地表加速度，一般取數值9.8，單位是N/kg。物體的質量會保持不變，不同地方重力變化，其原因就是加速度g發生了變化。

失重體驗

地球加速度g是怎麼計算出來的呢？

根據牛大爺的萬有引力公式推導而來：g=F/m=GM/r^2，其中G是為引力常量，取值6.67×10^-11，通過扭秤實驗測得；M為地球質量，數值為5.965×10^24kg；r為地球半徑（相對地表物體），數值為6.371×10^6米。粗略計算g=6.67×10^-11×5.965×10^24/6.371×10^12≈9.8。

牛頓與萬有引力

二、離心加速度

由上地球重力我們已經了解，重力其實是和加速度有關的，同樣質量的物體，只要加速度一樣，那麼它們的重量就是一樣的。

如果我們製造旋轉的環形太空器，那麼它們的離心加速度又是怎樣呢？根據向心加速度公式a=v^2/r（v為線速度，r為半徑）可知，離心加速度（離心力是向心力的虛擬力）和環形器旋轉線速度及半徑有關。假設我們要製造的太空飛行器半徑為100米，要產生和地球上一樣的重力，那麼環形太空飛行器旋轉線速度應該為：

旋轉的摩天輪

V=gr=9.8×100^1/2≈31.3（米/秒）

半徑100米太空飛行器的周長為L=2πr≈628米，那麼環形太空飛行器的旋轉速度為：V0=60/（628/31.3）≈3（圈/分鐘）。也就是說，我們100米半徑的環形太空飛行器，只要每分鐘旋轉3圈，就可以對物體產生和地球上一樣的重力。

三、為什麼現在不製造環形太空飛行器

1、人員原因：雖然說太空飛行器旋轉可以產生重力，可是這還有一個人員適應問題，如果環形太空飛行器半徑過小，那麼人在上面就會頭暈，各種不適應。要讓人住的舒適，跟地球上差不多的，這個環形器就不能太小，要大到離心力梯度基本可以忽略時候就可以了。

環形太空城

至於這個半徑至少要多少我沒有計算過，但是有人估計至少應該要有1公裡以上！

2、技術原因：以人類目前製造水平，要製造半徑1公裡的環形旋轉太空飛行器，差距還有點遙遠。無論是發射能力、材料水平、提供旋轉的動力，都不是目前人類所能具備的。

當然，如果是小部分太空人乘坐，製造重力像月球大小的引力加速度，或許直徑只要幾十米就可以。以目前人類水平來看，這樣規模的一個太空飛行器，未來幾十年技術上或許有望實現。

環形太空飛行器

3、費用問題：長110米，寬88米的十字形狀的國際空間站，目前已經花費超過1600億美元，堪稱天文數字，由十幾個國家合資才建造完成。如果製造一個100米直徑的旋轉環形太空飛行器，還能在宇宙間飛行，預算費用估計16000億美元都夠嗆，起碼要舉全球之力了。

國際空間站渲染圖

綜上可知，雖然旋轉可以解決太空中人造重力的問題，但是以目前人類的手段，還難以做到。不過隨著人類的飛速發展，特別是核動力技術的突破，相信人類終會有一天製造出自己的太空城，遨遊太虛，想去哪兒就去哪兒！

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    當這種旋轉越來越快時，迫使你面對牆壁的壓力就會增加（相反，如果旋轉減慢，壓力也會減少）。你感受到的重量就像讓你的身體緊貼地面的重力一樣。　　當然，或許和大多數人一樣，你對這種旋轉力最激動人心的體驗可能來自遊樂園的遊樂設施。尤其是19世紀中期以來，出現了許多經典的旋轉設施，在給人們帶來大量歡樂的同時，也讓很多人嘔吐不已。
  • 人類可以在太空中製造重力嗎?
    答： 如上所述，在空間站製造人造重力可能的方法是使用旋轉系統（如旋轉圓筒，圓環或球體）。 從技術上來講，旋轉能夠產生與重力相同的效果，因為它產生的離心力一定程度上與重力很相似。而通過調整空間站的某些參數（例如半徑和旋轉速率），就可以在外牆上創建一個等同於重力的力。
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    太空飛行器的飛行就是這樣：我們通過燃燒燃料將化學能轉化為動能，從而改變運載火箭的慣性，將太空飛行器送上天；火箭的燃料燒完後就被拋棄，太空飛行器要依靠自身攜帶的燃料繼續飛行。它能飛多快多遠需要看消耗了多少燃料，可畢竟火箭的大小和攜帶燃料總是有限的，為了將太空飛行器更快地送到目標，科學家們需要利用力學原理，從其它的星球「借力」，這就是重力輔助。
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    筆者：三體-小遙上個世紀中期，在冷戰的背景下，美蘇兩國展開了軍事、經濟等方面的較量，飛出地球同樣成為他們的主要目標，人類正式進入了太空時代。在很長一段時間裡，月球都是人類探索和研究的重點。月球表面其實並沒有任何生命存在的跡象，人類也無法建造出巨大的航天發射器，因此只能依靠登陸艙，賦予它們更多的職能。根據相關信息，我們可以了解到月球與地球存在較大的重力和引力差，往往在地球上重達數噸的物體，在這裡甚至可以被輕鬆舉起，登陸艙同樣如此。由於地月之間相距38萬公裡，所以人們需要更快的速度才能擺脫地球重力的束縛。