人造重力的興衰

□ 孝文

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，這一夢想一直未能成為現實。由于零重力狀態對航天員的健康產生的不利影響以及未來將要實施的探索火星、小行星等持續時間更長的深空探索任務，打造可產生人造重力的航天器將成為一種必然。此外，隨著商業太空旅行業的快速發展，未來可能出現巨大的充氣式輪形空間站，可產生人造重力，讓游客享受更為舒適的太空之旅。

零重力影響航天員健康

生活和工作在太空將對航天員的健康造成不利影響。從國際空間站返回地球的航天員雖然笑對記者鏡頭，卻很難站立?？臻g站尚且如此，未來的火星之旅將對航天員產生何種影響可想而知?；鹦侵脷v時數月，在忍受數月零重力（或者微重力）的影響后，登上火星表面的航天員連蹣跚都很難做到，更不用說走路了。

美國航宇局生物學家沙爾米拉·布哈塔查爾婭表示：“零重力將對航天員的健康產生一系列影響，例如骨密度下降、肌肉流失和視力下降?！彼罱M行的研究顯示，太空飛行甚至會對免疫系統產生不利影響。在太空飛行過程中，航天員很難保持平衡，睡眠被剝奪，心臟血管的運轉趨于緩慢，出現腸胃氣脹。此外，他們還會出現一系列太空病癥狀，例如眩暈、沮喪和乏力。布哈塔查爾婭的實驗以及其他科學家在過去50多年進行的實驗顯示，絕大多數癥狀都由零重力所致。

人類還沒有進化出適于在太空生存的特征。科學家一直在進行研究，了解和遏制失重狀態產生的不利影響。最近，歐洲空間局進行了一系列臥床休息研究，了解21名志愿者在臥床休息21天后身體受到的影響。很快，美國航宇局和俄羅斯聯邦航天局將合作實施一項為期一年的國際空間站任務，測試一系列對抗失重狀態的最新理論，例如加強鍛煉和營養。

巨型旋轉輪產生人造重力

如果人類前往火星、木星、土星的衛星或者更遙遠的天體，我們顯然需要尋找更為極端的解決方案。其中一個解決方案就是復活美國航宇局上世紀70年代放棄的計劃，打造擁有自身人造重力的航天器。早期的空間站設計均設想過人造重力（由巨大的旋轉輪產生）。未來，這種空間站將越發普遍。

在1949年發表于《英國行星學會雜志》的一篇文章中，H.E.羅斯設想了一個“燃料補給站”，用于執行月球探索任務。這一設計由3部分構成，可以形象地比喻為碗、小圓面包和手臂?！巴搿笔且幻婢薮蟮溺R子，在設計上用于聚集陽光，加熱水以產生蒸汽動力。沒錯，就是打造一座蒸汽動力的空間站。“小圓面包”這部分的外形更像是一張百吉餅，位于鏡子后面?！笆直邸睆摹靶A面包”一側伸出，連接對接端口。

借助于太空中的旋轉輪，人造重力或者羅斯的更準確描述“假重力效應”會以這樣一種方式產生：推進器讓“碗”和“小圓面包”沿著它們的軸旋轉，產生向心力，進而產生重力。在中空輪內的任何人都會感受到與重力類似的效應，就好像被拖向外部的曲殼，實際上是外殼的地板將他們往上推。具體產生多少人造重力取決于旋轉輪的尺寸和旋轉速度，尺寸越大，速度越快，產生的人造重力越大。

在上世紀60年代晚期的“阿波羅”號月球探索計劃末期，美國航宇局委托宇航公司研究未來的空間站。當時，人造重力成為所有空間站設計的一大要素。《太空飛行》雜志編輯、曾參與空間站設計的前美國航宇局工程師大衛·貝克表示：“這些空間站研究現在看來非常過時。上世紀70年代中期的太空實驗室任務證明建造一座空間站的重點就是進行微重力研究。于是，我們放棄了人造重力這一想法。現在，我們可能有必要重新進行研究?！?/p>

鸚鵡螺-X無奈夭折

在倫敦的英國行星學會圖書館，存有貝克1971年撰寫的有關人造重力項目的報告。其中一份報告提到了麥克唐納·道格拉斯公司的所謂“太空基地”，由一系列圓柱形太空艙構成。這個基地建有一個獨立的人造重力艙段，為航天員提供相當于地球重力一半的人造重力。另一個與之相競爭的設計來自于北美羅克韋爾公司，更加雄心勃勃，采用中央芯設計，4個圓柱形太空艙從中央芯伸出，好似輪輻一樣。每一個太空艙都建有生活區和工作區。與羅斯1949年提出的設想相同，這些太空艙沿著中央軸旋轉，產生人造重力。

藝術概念圖，展示了可產生人造重力的航天器，外形好似巨大的旋轉輪

“斯坦福環”（Stanford-Torus）的整體結構像一個巨大的輪胎，在飛行的過程中能夠不停的緩慢旋轉，用于產生人造重力

用于超重訓練的離心機

□ 孝文

相互連接的一個個獨立的艙室結構共同圍繞零重力中心旋轉。每一個艙室中都包含有居住區、功能區、公共休閑區以及開展研究的區域

畢格羅公司推出的充氣式太空艙

鸚鵡螺-X的概念圖

多任務太空探索飛行器

這些設計非常巨大，可容納12名到50名航天員，每人都有自己的艙室，艙室內桌椅齊備，甚至還有一個醫務室。2011年，美國航宇局、學術界和航天業組成的一支團隊提出一項被稱之為“鸚鵡螺-X”的提議，也被稱之為“多任務太空探索飛行器”。根據他們的提議，鸚鵡螺-X將耗資37億美元，在設計上可容納6人，外形與飛行的空間站類似，裝有大型太陽能電池板以及一系列相互連接的管道。這一設計有別于其他設計的一大差異是，一個巨大的中空輪環繞中央。這個輪與自行車的內胎類似，由一系列堅固的環構成，彼此間由軟壁充氣艙段相連。在結構上，這一設計與美國航宇局要求畢格羅宇航公司設計的太空艙類似，后者預計于2015年安裝在國際空間站上。

鸚鵡螺-X的外形與國際空間站類似。參與這一項目的馬克·霍爾德曼表示：“鸚鵡螺-X將在軌道中組裝，利用組裝國際空間站過程中獲取的技能和經驗?！?011年，航天飛機計劃的技術應用與評估小組（TAAT）提出了這一設計。這支團隊將目光聚焦近期的太空探索任務，研發新技術或者延長現有技術的壽命。他們計劃制造一個原型，安裝在國際空間站上，用于驗證這一設計，而后制造全尺寸版。霍爾德曼說：“它將成為第一個真正意義上能夠為航天員提供人造重力的航天器。鸚鵡螺-X在設計上同樣能夠為火星飛船的研制打下基礎。這種飛船將搭載9名到12名航天員前往火星。”由于探索重點的變化以及缺少資金，這項計劃最終夭折。

更簡單更低廉或為方向

由于預算減少，航天部門可能會走設計更簡單、造價更低廉的路線。如果最終做出這種決定，他們可以借鑒美國航宇局上世紀60年代中期實施的“雙子座”任務。當時，航天員用繩索將太空艙與無人對接艙連接在一起，允許兩個組件彼此環繞對方旋轉。為了理解這種做法遵循的理論，你不妨想象一下用繩索在裝滿水的水桶內攪動，繩索的末端會在水桶內產生向心力。

對于預算緊張的航天機構來說，他們還有一個費用更低的選擇。麻省理工學院的研究人員利用一臺小型離心機進行了一系列實驗，讓桌子或者椅子旋轉。他們的想法是讓國際空間站上的類似物品旋轉，讓航天員綁在上面旋轉，模擬重力。雖然這種裝置會讓人產生運動病——尤其是在移動頭部的時候——但實驗結果顯示，采用這種裝置能夠抵消失重狀態產生的一系列不利影響。

貝克認為可能存在另一種建造首艘人造重力航天器的方式。他說：“毫無疑問，一座建在太空的酒店需要產生人造重力。鑒于多達50%的航天員曾患上太空病，如果在地球軌道建酒店，人造重力將是必不可少的一個要素。”隨著商業太空旅行業的快速發展，這一想法并不像10年前那樣遙不可及。由酒店業大亨羅伯特·畢格羅創建的畢格羅宇航公司與美國航宇局合作，負責為其提供首個充氣式太空站太空艙。畢格羅希望將他的房地產帝國的觸角延伸到軌道。也許在未來的某一天，我們便會看到地球軌道中出現巨大的充氣式輪形空間站。不過，這種空間站是為腰包豐腴的太空游客準備的，而不是前往火星的探險家。