人造重力版「星際飛船」設想:通過旋轉的部分產生重力

2020-12-05 騰訊網

重力問題仍舊是太空探索任務的一個絆腳石。為了解決這個問題，YouTube用戶smallstars提出了「重力鏈星際飛船」（GLS）設想。GLS是SpaceX「星際飛船」的變種，能夠提供人造重力。SpaceX是否對這一設想感興趣，現在還是一個未知數。也許，埃隆 馬斯克和他的團隊早已提出了他們自己的人造重力設想。

藝術概念圖，SpaceX的「星際飛船」進入地球軌道

儘管在現實生活中我們面臨很多問題和挑戰，但這仍舊是一個令人興奮的時代。現在，太空探索任務的規劃人員和工程師正在研究各種設想。在不久的將來，這些設想將成為現實，讓太空人近50年來第一次飛出低地球軌道。除了重返月球，我們還將進一步探索火星以及太陽系內的其它遙遠天體。

太空探索任務面臨很多挑戰，不僅僅是長時間暴露於輻射和微重力環境帶來的不利影響。為了保護太空人免遭輻射侵襲，科學家提出了很多可行方案。不過，重力問題仍是一個絆腳石。為了解決這個問題，YouTube用戶smallstars提出了「重力鏈星際飛船」（GLS）設想。GLS是SpaceX「星際飛船」的變種，能夠提供人造重力。

美國宇航局1969年提出的人造重力空間站設想。這個設計存在缺陷，因為太空人會在重力和失重環境之間來回切換

GLS的部分靈感來自於科幻作品。在科幻作品中，星際飛船要麼利用某種特殊裝置產生重力，要麼通過旋轉的部分產生重力。前一種設想很像超光速引擎，利用完全虛構或者只在理論上可行的物理學；後一種設想則完全具有可行性。

人造重力的歷史可追溯到一個世紀前，前蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（1857-1935）率先提出了這一概念。他是火箭學和航空學的奠基人之一。1903年，齊奧爾科夫斯基發表論文《外太空火箭裝置研究》，提出利用旋轉力在太空中產生人造重力。

一款空間站設計，與馮 布勞恩上世紀50年代提出的設計類似

在此之後，科學家又提出了很多人造重力空間站和太空棲息地設想，其中包括馮·布勞恩輪、奧尼爾圓筒和斯坦福環。某些設想甚至進入研究階段，例如美國宇航局的鸚鵡螺-X空間站和門戶基金會提議建造的旋轉空間站。鸚鵡螺-X利用一個旋轉的圓環產生人造重力。

在對向心力進行一些研究後，smallstars提出了GLS設想。他在一段視頻中指出GLS基本上就是一個轂型飛船，就像是一個輪子的轂，有效載重艙被一個可以自動展開和部署的桁架充滿，桁架起到「輻條」的作用。GLS將部署在兩艘搭載太空人的星際飛船之間，與它們「組團」完成6個月的火星之旅。

科學家提議打造人造重力版飛船，執行火星探索任務

一旦組隊，客船將通過旋轉重新定向，同時點燃助推器，為「輪子」提供動力。一旦產生足夠的速度，模擬地球重力（1G），客船再次重新定向，向內旋轉，面朝轂船。在餘下的旅途中，由於「輪子」旋轉產生的向心力，客船上的太空人會被向下拉。

smallstars表示：「重力鏈星際飛船提供旋轉重力，對主發動機進行再利用同時充分利用剩餘燃料，避免了不切實際的太空建造和太空行走。GLS基本上就是一艘轂型飛船，就像是一個輪子的輪轂。有效載重艙並不搭載人員和貨物，而是被一個可以自動展開和鎖定的桁架充滿。桁架起到了「輻條」的作用。」

藝術概念圖，SpaceX的「星際飛船」矗立在月球上

現在，科學家對暴露於微重力環境所能產生的長期影響有著很深的認知，這主要感謝太空人在國際空間站上進行的各種研究。微重力環境能夠導致肌肉流失、骨密度下降、器官機能受損、視力損傷、心血管功能下降，甚至能夠改變基因。

美國太空人斯科特·凱利用親身經歷揭示了太空飛行的健康風險。作為美國宇航局雙胞胎「天地實驗」的一部分，他在國際空間站逗留了一年之久。回到地球後，他必須重新適應地球上的生活。整個過程讓他非常痛苦。為了避免這些健康影響，科學家必須為太空人制定行之有效的應對策略。

門戶基金會提議建造的旋轉空間站，借鑑了馮 布勞恩上世紀50年代的設計

未來，太空人將重返月球，同時還會奔赴火星。火星的低重力環境將對太空人的健康產生哪些長期影響，現在還是一個未知數。

為了確定GLS系統的細節，smallstars進行了一些必要的計算，以揭示模擬地球重力所需的桁架結構和所要達到的速度。藉助SpinCalculator計算器，他發現一個直徑100米的系統需要達到每秒31米的旋速（大約每分鐘3圈），才能產生1G的重力。

美國宇航局1989年提出的旋轉火星飛船，可產生人造重力

現在，smallstars正在研究GLS系統的第二代，包括關於旋速的最新計算結果和新的桁架外形，同時引入繩索，用以加強桁架的抗張強度。他計劃在不久的將來公布第三版設計。這一版本將涵蓋負載的相關計算結果以及展示部署過程和桁架功能的動畫。

SpaceX是否對這一設想產生興趣，現在還是一個未知數。也許，埃隆·馬斯克和他的團隊早已提出了他們自己的人造重力設想。如果是這樣情況，究竟誰更勝一籌呢？讓我們拭目以待。

編輯：Velvet

翻譯：牛樹軍

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  • 人造重力版「星際飛船」的設想,通過旋轉產生重力是否可行?
    重力問題仍舊是太空探索任務的一個絆腳石。為了解決這個問題，YouTube用戶smallstars提出了「重力鏈星際飛船」（GLS）設想。GLS是SpaceX「星際飛船」的變種，能夠提供人造重力。SpaceX是否對這一設想感興趣，現在還是一個未知數。也許，埃隆馬斯克和他的團隊早已提出了他們自己的人造重力設想。
  • 流浪地球:為什麼飛船旋轉就能產生人造重力?
    旋轉的離心力可以模擬重力，在技術上很容易實現。鑑於「離心力」是「慣性力」的一種，很多人質疑它的存在，實際不存在的「離心力」能產生人造重力嗎？利用等效原理可以很好的理解離心力。等效原理如下：在電梯中的人，他無法分清自己的重力是電梯的加速度產生的(假如電梯在太空)，還是地球的引力產生的。因為電梯對人的作用力既可以讓人獲得一個加速度，又可以平衡地球對人的引力。在封閉空間內，人無法區分這兩種狀態，引力和加速度等效。
  • 旋轉產生的人工重力,你想體驗嗎?
    當飛船加速上升或在大氣中減速，會產生額外的重力，但在時間最長的太空飛行期間，重力的影響被抵消，飛船會進入失重狀態。在科幻作品中，這種人工重力的兩個例子分別是2015年的電影《火星救援》和1968年的史詩電影《2001太空漫遊》。前者的特色是一艘名為「赫爾墨斯」號的星際飛船，它有一個巨大的旋輪結構，可以在地球和火星之間的航程中不停旋轉。
  • 為什麼太空中沒有人造重力?那要如何才能產生人造重力?
    圖片版權：NASA / ESA / ISS Expedition 37在電視節目和電影如《星際迷航》、《星球大戰》、《太空堡壘卡拉狄加》和其他許多電影中，總是能看到飛船的船員在飛船的「地板上」，而不管其他任何條件。這需要某種形式的人工重力物理上的可能，但這對於我們目前了解的科學規律來說是一個艱巨的任務。
  • 太空失重給太空人帶來不好的影響,人造重力飛船可以實現嗎?
    我們可以設想，未來人類會駕駛著飛船途徑比鄰星，看看距離地球4光年的比鄰星b上到底有沒有生命，就像現在看到的電影《星際迷航》一樣，駕駛那樣的星艦。那麼就會遇到必須要解決的問題，該如何在飛船上站立呢？怎麼才能人工製造重力呢，這樣的話，航天員可以在飛船中隨意走動，帶來與地面上相同的感受，適合長期工作。
  • 未來的太空之旅,人造重力也許是必不可少的!
    幾十年來，科學家一直在設想一種巨型旋轉空間站，能夠產生人造重力。不過，這一夢想一直未能實現。由於零重力狀態會對太空人的健康產生不利影響，而且未來將要實施的探索火星、小行星的任務需要持續時間更長的深空作業，打造可產生人造重力的太空飛行器成為一種必然。此外，隨著商業太空旅行業的快速發展，未來可能出現的巨大充氣式輪形空間站能夠產生人造重力，讓遊客享受更為舒適的太空之旅。
  • 探索未來空間站雛形:巨型旋轉環造重力場
    早在1949年，H・E羅斯在《英國星際學會》期刊上發表了一篇文章，設想了一種「軌道加油站」，其由三個部分組成：酷似「補給碗、麵包和手臂。」補給碗則是一個巨大的反射鏡面，可以聚焦太陽光並產生熱量，這就是一座以太陽能發電的「蒸汽動力」空間站。「麵包」結構位於主反射鏡的後面，「手臂」裝置探入「麵包」結構，連結到一個對接口。
  • 科學家正在研製「人造重力」!未來在太空猶如在地球!
    這是科幻大片《星際穿越》中「永恆號」飛船上的人造重力原理。
  • 科學家研究在太空中製造「人造重力!」
    科學家認為太空生活會對人類身體機能產生不利影響，雖然返回地球的太空人竭盡全力對著攝像機微笑，但是他們一般都不能自主站立起來。
  • 為什麼空間站不建造旋轉結構來模擬重力?情況比我們想像的要複雜
    我們會發現《流浪地球》中的國際僮站是圓形的，四周有龐大的環形結構，正是依靠這種環形結構通過高速旋轉產生離心力，從而讓空間站有了模擬重力。看完影響中的空間站，很多人產生這樣的一個疑問：為什麼我們現實中的空間站不建造旋轉機構來模擬重力？這個應該不是太難吧，可實際的情況遠比我們想像的要複雜。
  • 從電影淺談人造重力!
    在安德的世界中，人類已經可以在太空中產生人造重力，安德在到達ISL（Inter Stellar Launch，內恆星空間站）之後，他們已經可以像在地球上一樣，正常地進行日常生活，而不用像「天宮」中的太空人一樣，漂浮在艙內。在小說中，傳奇指揮官馬澤·雷漢（Mazer Rackham）曾經告訴安德，重力的操控是從蟲族學來的某種重力增強技術。
  • 帶著重力上太空
    通過旋轉產生離心力來模擬重力，也是最早由他提出的。早在1883年，這位航天先驅就在手稿《自由太空》中探討了使太空飛行器旋轉以產生人工重力的可能性。在太空飛行器內製造人工重力的途徑有兩種：一是由整個太空飛行器不斷旋轉而產生「全時人工重力」，或稱「連續性人工重力」；二是由短臂離心機定時旋轉產生「間斷性人工重力」。
  • 不再是科幻小說中的場景了,人造重力或將實現!
    長期以來，人造引力一直是科幻小說的內容，想像一下《2001太空漫遊》和《火星人》等影片中出現的輪狀飛船，它們在太空中旋轉，產生自身的重力。現在，來自科羅拉多大學博爾德分校的一個團隊正在努力使這些技術成為現實。
  • 人工重力——從科幻到現實
    其實第一種的正確名稱應為「魔法」重力，及以星球大戰，星際迷航，宇宙戰艦大和號等為代表的，帶有濃重玄幻色彩的人工重力。仔細看就會發現，上述三個作品中從未解釋過飛船內部的1G重力具體是如何產生的。為了讓宇宙飛船能參考現代船隻設計，太空歌劇類作品總設定人類在未來掌握了一種在飛船底部直接人造重力的科技。
  • 人造重力離現實有多遠?-人造,重力,現實,科幻 ——快科技(驅動之家...
    在安德的世界中，人類已經可以在太空中產生人造重力，安德在到達ISL（Inter Stellar Launch，內恆星空間站）之後，他們已經可以像在地球上一樣，正常地進行日常生活，而不用像「天宮」中的太空人一樣，漂浮在艙內。在小說中，傳奇指揮官馬澤·雷漢（Mazer Rackham）曾經告訴安德，重力的操控是從蟲族學來的某種重力增強技術。
  • 科學家們正在研究人造重力 將不會使人產生嘔吐感
    在大多數科幻小說中都有人造重力概念的存在，科羅拉多大學博爾德分校的研究人員希望將這個科幻夢想變為現實。創造人造重力最方便的方法之一是利用離心機中旋轉志願者進行測試，例如美國宇航局和歐洲航天局一直在進行的項目。然而暈動病是一個嚴重的問題。
  • 人造重力離現實有多遠?
    在安德的世界中，人類已經可以在太空中產生人造重力，安德在到達ISL（Inter Stellar Launch，內恆星空間站）之後，他們已經可以像在地球上一樣，正常地進行日常生活，而不用像「天宮」中的太空人一樣，漂浮在艙內。在小說中，傳奇指揮官馬澤·雷漢（Mazer Rackham）曾經告訴安德，重力的操控是從蟲族學來的某種重力增強技術。
  • 人造重力不只存在於科幻片中，或許我們已經找到最佳方法
    不斷加速的太空飛行器實際上會產生與加速度相反方向的力。因此，一艘逐漸加速駛向目的地的飛船可以維持重力。這或許不像地球重力那樣，但仍足以減輕失重對人體的影響，使船上的生命更容易適應。當到達旅程的最後一段時，飛船可以逐漸減速，同時也可以提供人造重力。
  • 為什麼我們需要人工重力來執行長期的太空任務？
    幾十年來，科幻小說作家們一直在設想某種旋轉的宇宙飛船，可以在太空任務最長的時間段內為太空人創造人工重力。前者的特色是一艘名為「赫爾墨斯」號（Hermes）的星際飛船，它有一個巨大的旋輪結構，可以在地球和火星之間的航程中不停旋轉。當鏡頭放大時，你會注意到，對於太空人來說，赫爾墨斯號內部的「上」總是朝向旋輪的中心，而「下」（即「地面」），則是旋輪的邊緣。《2001太空漫遊》中的五號空間站是一個旋轉的空間站，它能產生相當於月球重力的人工重力。
  • 環形結構的太空飛行器旋轉可以產生重力,為什麼人們不這樣製造?
    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。