[導(dǎo)讀]人類即將面對(duì)的行星際空間飛行或?qū)C(jī)體產(chǎn)生極為不利的影響，科學(xué)家認(rèn)為這是由于缺少重力場(chǎng)所致，因此未來空間站將會(huì)具有人造重力場(chǎng)。
騰訊科學(xué)訊（Everett/編譯）據(jù)國外媒體報(bào)道，科學(xué)家認(rèn)為太空生活會(huì)對(duì)人類身體機(jī)能產(chǎn)生不利影響，雖然返回地球的宇航員竭盡全力對(duì)著攝像機(jī)微笑，但是他們一般都不能自主站立起來?？梢韵胂笠幌?，未來前往火星的宇航員將會(huì)受到何種挑戰(zhàn)。前往火星之旅需要數(shù)個(gè)月時(shí)間，在此期間宇航員需要經(jīng)受住空間飛行對(duì)身體機(jī)能產(chǎn)生的影響，當(dāng)他們降落火星表面時(shí)也將面臨無法正常行走的風(fēng)險(xiǎn)。
宇宙飛船與人造重力場(chǎng)空間站對(duì)接的情景
對(duì)此，美國宇航局生物學(xué)家沙美娜·巴塔查亞認(rèn)為空間飛行將對(duì)宇航員產(chǎn)生各種各樣的影響，比如骨密度的降低、肌肉萎縮和視力下降等，最新的實(shí)驗(yàn)表明行星際以上級(jí)別的空間飛行甚至?xí){人體免疫系統(tǒng)。在宇宙空間飛行途中，宇航員很難維持良好的生理機(jī)能平衡，睡眠時(shí)間減少，心臟血管的血液供應(yīng)量放緩，更不用說腸胃脹氣等問題了。除了這些問題外，宇航員還將面對(duì)眩暈、困乏無力等空間飛行病癥。巴塔查亞的最新實(shí)驗(yàn)和過去半個(gè)世紀(jì)科學(xué)家們進(jìn)行研究顯示，空間疾病的誘導(dǎo)因素歸咎于太空的零重力環(huán)境。
由此看來，人類還沒進(jìn)化出可以適應(yīng)空間飛行的機(jī)體，科學(xué)家們也正在弄清楚失重會(huì)導(dǎo)致哪些不良病癥。例如，歐洲空間局進(jìn)行了一項(xiàng)研究，對(duì)志愿者進(jìn)行21天一系列的臥床休息實(shí)驗(yàn)，與此同時(shí)，美國宇航局和俄羅斯空間機(jī)構(gòu)也開展合作，在國際空間站上測(cè)試宇航員失重導(dǎo)致生理機(jī)能下降的理論，探索如何改變運(yùn)動(dòng)和營養(yǎng)來降低空間疾病。然而，如果人類前往火星、木星、土星或者其他天體衛(wèi)星群，我們就應(yīng)該找到解決空間疾病的途徑，其中一個(gè)方案就是美國宇航局在1970年代放棄的打造“人造重力環(huán)”計(jì)劃。
在早期空間站的設(shè)計(jì)方案中，科學(xué)家提出了建造一個(gè)巨型旋轉(zhuǎn)輪來制造重力場(chǎng)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可能是未來空間站的雛形。早在1949年，H·E羅斯在《英國星際學(xué)會(huì)》期刊上發(fā)表了一篇文章，設(shè)想了一種“軌道加油站”，其由三個(gè)部分組成：酷似“補(bǔ)給碗、面包和手臂?！毖a(bǔ)給碗則是一個(gè)巨大的反射鏡面，可以聚焦太陽光并產(chǎn)生熱量，這就是一座以太陽能發(fā)電的“蒸汽動(dòng)力”空間站?！懊姘苯Y(jié)構(gòu)位于主反射鏡的后面，“手臂”裝置探入“面包”結(jié)構(gòu)，鏈接到一個(gè)對(duì)接口。
任何一種在太空中旋轉(zhuǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)都具有產(chǎn)生模擬重力環(huán)境的能力，研究人員羅斯將其命名為“偽重力效應(yīng)”，通過太陽能聚焦產(chǎn)生的蒸汽動(dòng)力帶動(dòng)“補(bǔ)給碗”和“面包”圍繞著中央軸線旋轉(zhuǎn)，這樣就可以產(chǎn)生向心力，模擬出重力環(huán)境。如果我們處于旋轉(zhuǎn)輪的內(nèi)側(cè)，就可以察覺到與重力類似的效果。我們可以通過設(shè)定旋轉(zhuǎn)輪的大小和旋轉(zhuǎn)速度來模擬出所需要的重力場(chǎng)值。眾所周知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)輪更大、旋轉(zhuǎn)速度更快時(shí)，產(chǎn)生的重力效果就越加明顯。在2001年的一部電影中，宇航員在環(huán)形飛船中慢跑，這個(gè)就是人造重力場(chǎng)的情景。
20世紀(jì)60年代末期，美國宇航局執(zhí)行阿波羅登月計(jì)劃即將結(jié)束，隨機(jī)開展了未來空間站的設(shè)計(jì)工作，而如何模擬出人造重力場(chǎng)是當(dāng)時(shí)空間站設(shè)計(jì)考慮的重要因素。根據(jù)《太空飛行》雜志的編輯、美國宇航局前空間站設(shè)計(jì)工程師大衛(wèi)·貝克介紹：“就現(xiàn)在而言，這些空間站的設(shè)計(jì)顯得完全過時(shí)了，在20世紀(jì)70年代中期，一系列的實(shí)驗(yàn)證明建造空間站的需要開展對(duì)微重力環(huán)境的研究，因此科學(xué)家們放棄了人造重力場(chǎng)的研究，但是現(xiàn)在這個(gè)理念可能值得重新考慮?！?/p>
在1971年，大衛(wèi)·貝克發(fā)表了關(guān)于人造重力場(chǎng)的項(xiàng)目報(bào)告，這篇文章還可以在英國星際學(xué)會(huì)圖書館找到。報(bào)告中提到麥道公司研究了一種全新概念的“太空基地”，這是由一系列圓柱形模塊組件的空間站。整個(gè)軌道構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)置了單獨(dú)的人工重力場(chǎng)艙室，可以為空間站內(nèi)的宇航員提供大約是地球重力一半的重力場(chǎng)。而另一個(gè)參與競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)計(jì)師北美洛克威爾公司研制的人造重力空間站，其構(gòu)造是由四個(gè)圓柱形軌道艙組件而成，每個(gè)模塊都包括了生活區(qū)和工作區(qū)，這些計(jì)劃都與羅斯在1949年提出的空間站概念相似，都有圍繞中央軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生人造重力。
人造重力場(chǎng)空間站的體積也較大，可以容納大約12至50名宇航員，擁有單獨(dú)的個(gè)人艙室，配備了桌子和舒適的椅子，甚至還有醫(yī)務(wù)室。事實(shí)上，這些空間站設(shè)計(jì)與“鸚鵡螺-X”計(jì)劃相似，這是一種多任務(wù)的空間探索飛行器，該計(jì)劃是由美國宇航局在2011年提出的，參與設(shè)計(jì)方還有學(xué)術(shù)界、航天工業(yè)的研究人員?！胞W鵡螺-X”計(jì)劃設(shè)計(jì)載人為6名宇航員，外形與空間站類似，配備了大型太陽能電池板和一系列相互連接的節(jié)點(diǎn)艙。其主要特征是擁有一個(gè)更大的空心旋轉(zhuǎn)輪，外形上酷似自行車的內(nèi)胎，是由一系列連接環(huán)與充氣式的太空船組合而成。
這一設(shè)計(jì)理念被稱為“充氣式空間站”，目前畢格羅宇航公司正在設(shè)計(jì)研制這樣的空間站，預(yù)計(jì)2015年可以安裝到國際空間站上進(jìn)行測(cè)試?！胞W鵡螺-X”空間站采用了與國際空間站類似的建造概念，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家馬克·霍爾德曼認(rèn)為該空間站在軌道上進(jìn)行組裝，使用了國際空間站的組裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。在2011年，由航天飛機(jī)計(jì)劃的技術(shù)應(yīng)用與評(píng)估小組提出未來空間站的研制計(jì)劃，短期內(nèi)可以為空間站延長(zhǎng)任務(wù)提供技術(shù)支持，并開發(fā)新技術(shù)。
研究小組計(jì)劃建造一個(gè)原型艙段，將其安裝到國際空間站上進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。馬克·霍爾德曼認(rèn)為這將會(huì)是第一個(gè)真正具備人造重力的空間站，而“鸚鵡螺-X”的設(shè)計(jì)可以為將來建造火星飛船提供支持，其基本運(yùn)載能力為9至12名宇航員。不幸的是，由于空間機(jī)構(gòu)缺少資金，該項(xiàng)目被取消。鑒于預(yù)算的不斷減少，可能趨向于研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)更低的空間站，如果是這樣的話，工程師們可以參考美國宇航局在20世紀(jì)60年代中期執(zhí)行“雙子星”任務(wù)，宇航員通過繩索將軌道艙和無人對(duì)接模塊連接，使得兩個(gè)模塊可以相互圍繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)，該方法也可以產(chǎn)生向心力。
對(duì)于一些經(jīng)費(fèi)較為緊張的空間機(jī)構(gòu)而言，可能還有一個(gè)更加廉價(jià)的設(shè)計(jì)概念，比如麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了基于空間站內(nèi)環(huán)境的人造重力模型，使用一系列的小型離心機(jī)將軌道艙內(nèi)的桌子和椅子旋轉(zhuǎn)起來，而宇航員則束縛在這個(gè)小系統(tǒng)內(nèi)，這樣也可以產(chǎn)生類似重力的效果。但是這個(gè)設(shè)計(jì)也存在問題，雖然制造出類似重力的環(huán)境，但也會(huì)給宇航員產(chǎn)生暈車的感覺，實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)可以降低一些不利的空間飛行影響。
但是這種方法與巨大的旋轉(zhuǎn)式空間站設(shè)計(jì)相去甚遠(yuǎn)，在2001《太空奧德賽》中，巨大的旋轉(zhuǎn)輪顯得非常優(yōu)雅，貝克認(rèn)為可能存在另一個(gè)方式來制造首個(gè)擁有重力環(huán)境的宇宙飛船。如果我們?cè)谔罩写蛟臁败壍谰频辍?，那么肯定需要人造重力?chǎng)，由于50%的宇航員患上空間疾病，如果我們要在近地空間建造旅館，重力場(chǎng)是不可或缺的。
在商業(yè)太空旅行爆炸式發(fā)展的今天，這種想法并非無法實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，美國宇航局與酒店大亨羅伯特·畢格羅合作研發(fā)的第一個(gè)充氣式軌道空間站就是該想法的具體實(shí)現(xiàn)，畢格羅希望將他的酒店業(yè)帝國擴(kuò)展軌道業(yè)務(wù)。也許有一天，巨型車輪狀的充氣式空間站會(huì)終結(jié)這一爭(zhēng)論，里面居住的是百萬富翁而不是火星探險(xiǎn)者。
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