2021年9月17日13時(shí)34分，神州十二號以前所未有的精度降落內(nèi)蒙古東風(fēng)著陸場，在著陸后3分鐘左右搜救人員就到達(dá)現(xiàn)場，整個(gè)任務(wù)已經(jīng)達(dá)到了飛船回收所能達(dá)到的極致，也讓全球航天為之側(cè)目。
隨后航天員在飛船著陸現(xiàn)場接受了采訪，也是航天員返回地球舉行的歡迎儀式，但相信有一幕應(yīng)該深深刺痛了大家，返回地球的航天員都是坐在椅子上的，而在其他回收現(xiàn)場，甚至是抬著航天員走向后勤車。
對于熟悉航天醫(yī)學(xué)的朋友都知道，這是飛船與空間站內(nèi)長期失重造成常見現(xiàn)象，幾乎所有的航天員返回地球都需要一個(gè)比較長的適應(yīng)過程，在天上待得越久，其恢復(fù)時(shí)間也越久！嚴(yán)重影響了生活與工作，能在天上模擬出一個(gè)重力環(huán)境嗎？讓以后的空間站任務(wù)就像出趟差那么簡單！
長期失重對人體影響有多大？
失重很好玩，飛來飛去，搬個(gè)重物不要太輕松，但事實(shí)上航天員卻沒心情玩！而且長時(shí)間在這個(gè)環(huán)境下，對人體影響會相當(dāng)大：
首先第一個(gè)就是人體前庭器官的位置傳感器失效，會有非常嚴(yán)重的眩暈，不過這個(gè)問題適應(yīng)下也就差不多了，比較麻煩的事情在后面，長期失重下，有幾個(gè)問題，第一個(gè)是身體舒展，在地球上就算你躺著也費(fèi)勁，但失重不會，肌肉無需保持緊張感。
所以肌肉萎縮會隨之發(fā)生，第二個(gè)嚴(yán)重問題是血液減少，紅細(xì)胞減少！因?yàn)槭е睾篌w液重新分布，跑到上半身，身體感覺血液多了就會自動調(diào)節(jié)體液功能，但總血量與紅細(xì)胞減少會引發(fā)心率不齊甚至心肌缺氧等心臟功能障礙等。
其他的還能導(dǎo)致免疫力下降，比地球上更容易生病，失重也容易導(dǎo)致鈣質(zhì)大量流失等等，當(dāng)然在太空中鍛煉可以解決肌肉萎縮的問題，使用負(fù)壓褲也能給解決血液量減少的問題，還有使用藥物也能補(bǔ)鈣以及改善免疫力，但這些手段都只能改善卻無法徹底解決，就沒有一勞永逸解決的辦法嗎？
如何模擬重力環(huán)境，國際空間站的重力艙為何取消？
說你模擬重力環(huán)境，各位一定記得國際空間站有一個(gè)離心重力艙被取消了，它究竟是什么原理，為什么又會被取消呢？
國際空間站的重力艙僅僅停留在計(jì)劃中，甚至都還沒有實(shí)施，它的原理是利用離心力來模擬重力環(huán)境，但由于結(jié)構(gòu)比較小，受制于火箭的整流罩直徑無法制造得太大，經(jīng)過評估后取消了這個(gè)艙室，但至少告訴了大家一個(gè)可能，在太空制造人工重力是有可能的！
模擬重力環(huán)境，有幾種可能？
重力環(huán)境非常特殊，在地球上上司空見慣的現(xiàn)象，在空間站卻沒有，這里的繞地產(chǎn)生的離心力和重力相等，所以處在失重或者稱微重力狀態(tài)，一般來說在失重狀態(tài)下模擬重力有幾種方式：
1、1個(gè)G的加速度不斷加速或者以1個(gè)G的加速度不斷減速
2、用離心力來模擬重力環(huán)境；
3、制造重力場的方式來重建重力環(huán)境；
第一個(gè)在火箭發(fā)射時(shí)或者在航天器返回地球都會遭遇過載，前者是加速度產(chǎn)生，后者減速過快產(chǎn)生，但問題是一個(gè)需要不斷加速，另一個(gè)需要不斷減速，前者大約一年多點(diǎn)就會接近光速！
所以似乎可以這樣玩，不斷加速，然后快到光速了再掉頭不斷減速，然后反復(fù)！估計(jì)為了模擬重力，不知道要消耗多少燃料，再有錢也不能這樣燒，所以是行不通的。
在科幻片中經(jīng)?？梢钥吹饺酥苯诱驹陲w船上，從理論上來看在飛船上制造一個(gè)重力場確實(shí)可以，但重力環(huán)境就現(xiàn)在而言，需要一個(gè)將達(dá)的質(zhì)量體來實(shí)現(xiàn)，比如地球那么大才能提供1個(gè)G的重力環(huán)境，帶著地球走？還要飛船干什么？除此以外，似乎很難想象還有其他技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)。
最后就只剩下了“離心力”模擬這種方式
大家都知道“離心力”這種方式，比如在雜技場上摩托車能在巨大的垂直環(huán)形內(nèi)壁內(nèi)行駛，利用的就是“離心力”，因此只要制造一個(gè)類似國際空間站的模擬重力艙即可實(shí)現(xiàn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，要多大重力，只需要調(diào)整轉(zhuǎn)速即可！
但是問題來了，人站在離心結(jié)構(gòu)模擬上，一般的理解就是頭部指向旋轉(zhuǎn)中心，腳下則與接觸點(diǎn)切線方向垂直，此時(shí)你會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，頭部所收到的離心力和腳底部位是不一樣的。所以這個(gè)時(shí)候前庭器官感受到的位置狀態(tài)和腳下的狀態(tài)存在差異，會非常不舒服。
另一個(gè)則是由于模擬重力環(huán)境的尺寸不夠大，所以要足夠的離心力來模擬重力環(huán)境的話，需要比較高的轉(zhuǎn)速，此時(shí)會因?yàn)榍巴テ鞴俚耐瑫r(shí)還明顯感覺到了位移以及空間位置的變化，很快就會眩暈，這種環(huán)境下待久了估計(jì)人得發(fā)瘋！
用離心力來模擬舒適的重力環(huán)境，需要多大的結(jié)構(gòu)？
因此一定要有足夠大的環(huán)境來模擬重力環(huán)境，那么究竟要多大的結(jié)構(gòu)呢？這是可以計(jì)算出來的，比如人的前庭器官對旋轉(zhuǎn)感覺比較明顯，一定要比較慢一點(diǎn)，每分鐘超過三轉(zhuǎn)就會感覺不舒服，因此要將轉(zhuǎn)速控制在1.5~2圈/分。另一個(gè)則是重力環(huán)境，我們不需要模擬1:1的重力，只需0.5G即可，那么只需如下計(jì)算：
0.5G的環(huán)境即為：4.9M/S^2
w要求為2轉(zhuǎn)/分，換算成弧度約0.2094395弧度/秒
那么可以得出所需要的半徑為R=111.7M
各位可是要看仔細(xì)了，這是半徑！比國際空間站的寬度還要大（國際空間站長度是太陽翼尺寸，寬度是艙室尺寸），所以想要在太空實(shí)現(xiàn)重力環(huán)境，得造一個(gè)直徑大約220多米的空間站。
究竟用什么結(jié)構(gòu)比較好？
圓環(huán)形顯然是最合適的，中心對稱看起來也美觀，比如在《火星救援》中的“赫爾姆斯號”飛船，中間就有一個(gè)環(huán)形的生活艙，它能在從地球到火星的途中提供一個(gè)重力環(huán)境。
《星際穿越》中的“永恒號”則是多個(gè)艙室連接起來的環(huán)形，畢竟在太空中無所謂氣動外形，只要能達(dá)到足夠的向心加速度，那么只需在旋轉(zhuǎn)時(shí)配平即可。
還有個(gè)典型的結(jié)構(gòu)則是《阿凡達(dá)》中的長桿狀，它的中心位于“創(chuàng)業(yè)之星號”的軸心上，以每分鐘2-3圈的速度繞著運(yùn)行，如此速度下橫桿的長度可以降低一些，但會犧牲舒適度或者降低重力加速度。
《太空旅客》中的“阿瓦隆號”則是整體螺旋狀，飛船飛行的時(shí)候滾轉(zhuǎn)模擬產(chǎn)生重力。
四種結(jié)構(gòu)都比較不錯(cuò)，但前兩種的結(jié)構(gòu)，直徑為220米的圓環(huán)，周長達(dá)到了691米，顯然是一個(gè)超級工程，而最后一種“阿瓦隆”飛船，顯然不是人類現(xiàn)在的技術(shù)所能制造，因此在當(dāng)前狀態(tài)下最容易實(shí)現(xiàn)的是長桿型的模擬重力艙。
長桿狀就是模擬重力艙
比如降低要求，只需要0.2G的環(huán)境，轉(zhuǎn)速在2圈左右的情況下，其長桿回轉(zhuǎn)半徑可以減小到44.68米，也就是長桿的長度為89米左右，基本上現(xiàn)在的國際空間站轉(zhuǎn)起來即可滿足要求！
當(dāng)然空間站不是沒法轉(zhuǎn)，它只是并非按旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果要產(chǎn)生重力環(huán)境的話必須要專門為重力環(huán)境設(shè)計(jì)沿著長桿設(shè)計(jì)梯度模擬重力環(huán)境的艙室，越靠近中間重力越微弱，越靠近兩端重力約大，在長桿的頂端達(dá)到最大“重力環(huán)境”為0.2G。
為什么要環(huán)形和長桿型，球形行不行？
在模擬產(chǎn)生重力的環(huán)境下，球形并不是一個(gè)合適的形狀，除了在“赤道”位置兩端有合適的模擬重力外，其他位置會產(chǎn)生并非垂直于地板的“分力”，比如參考《太空無垠》中的谷神星空間站，倒個(gè)水都要歪出去很遠(yuǎn)。
其實(shí)早在上世紀(jì)70~80年代的“太空大航海時(shí)代”早就規(guī)劃設(shè)計(jì)了超級環(huán)形空間站，有長圓筒狀的，有超級環(huán)形的，在《極樂空間》中這樣的空間站，上世紀(jì)的科學(xué)家早就想象過了，實(shí)在是非常壯觀。
但就現(xiàn)在而言，長桿狀是最接近現(xiàn)實(shí)的選擇，其實(shí)現(xiàn)成本也最低！長桿圍繞中心可以不設(shè)計(jì)機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)裝置（未來對接非常麻煩，對接前可以先停轉(zhuǎn)），也可以設(shè)計(jì)成具有中心艙室的結(jié)構(gòu)，使用連接機(jī)構(gòu)保持中心不轉(zhuǎn)，但會存在連接機(jī)械結(jié)構(gòu)的問題，顯然前者結(jié)構(gòu)簡單。
延伸閱讀：如何制造零重力環(huán)境？
重力環(huán)境在地面上是不需要模擬的，反而要模擬零重力環(huán)境以供訓(xùn)練與實(shí)驗(yàn)，一般現(xiàn)代零重力環(huán)境有幾種實(shí)現(xiàn)方式，一種是自由落體，另一種使用飛行器在躍升到高空到下降時(shí)保持一定的上升與下降速率來模擬失重環(huán)境。
前者時(shí)間自由落體時(shí)間可以通過高度計(jì)算出來，后者也可以根據(jù)飛行器的躍升曲線以及極限升限計(jì)算出來，但很顯然時(shí)間都比較短（使用飛機(jī)模擬時(shí)間長一些），而且零重力模擬成本比較高，比如歐洲的零重力航班，票價(jià)每人超過6000美元！
聯(lián)系客服
