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?

2021-01-08 騰訊網

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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  • 帶著重力上太空
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    那為什麼雪花的形狀更接近『氫原子的構造呢？因為雪花是H2O，本身就由兩個H原子組成，而O原子，從其化合價數最大為2，就可以推斷出：O原子是H原子多條』正向疊加『的結果，這也正是O原子極易與其他原子發生化合反應最根本的原因。由於是多條正向疊加，所以整體上仍呈現H原子的結構造形，所以生成的化合物H2O，只是H原子構型的放大品，所以仍呈現出H原子的結構形態。
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    在地面上由於地球大氣和磁場的阻隔，宇宙輻射不是很嚴重，宇宙輻射可以促進生物基因變異促進生物演化，但是也沒有強到影響生物的正常生理過程。而在太空中微重力環境中，血液缺乏重力的作用，無法壓迫靜脈瓣形成閉環，因此血液可能倒流。NASA的一項研究指出，太空人頸部血液倒流和靜脈血栓形成的機率更高，而這也是影響人健康壽命的一個重要因素。太空有諸多不利於哺乳動物尤其是人類這樣高度複雜的生命體，所以暫時太空人在太空中生活的最高紀錄也就兩年半左右。
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