无障碍说明
腾讯科技科技 > 科学频道 > 科学 > 正文

探索未来空间站雏形:巨型旋转环造重力场

[导读]人类即将面对的行星际空间飞行或对机体产生极为不利的影响,科学家认为这是由于缺少重力场所致,因此未来空间站将会具有人造重力场。

腾讯科学(Everett/编译)据国外媒体报道,科学家认为太空生活会对人类身体机能产生不利影响,虽然返回地球的宇航员竭尽全力对着摄像机微笑,但是他们一般都不能自主站立起来。可以想象一下,未来前往火星的宇航员将会受到何种挑战。前往火星之旅需要数个月时间,在此期间宇航员需要经受住空间飞行对身体机能产生的影响,当他们降落火星表面时也将面临无法正常行走的风险。

探索未来空间站雏形:巨型旋转环造重力场

宇宙飞船与人造重力场空间站对接的情景

对此,美国宇航局生物学家沙美娜·巴塔查亚认为空间飞行将对宇航员产生各种各样的影响,比如骨密度的降低、肌肉萎缩和视力下降等,最新的实验表明行星际以上级别的空间飞行甚至会威胁人体免疫系统。在宇宙空间飞行途中,宇航员很难维持良好的生理机能平衡,睡眠时间减少,心脏血管的血液供应量放缓,更不用说肠胃胀气等问题了。除了这些问题外,宇航员还将面对眩晕、困乏无力等空间飞行病症。巴塔查亚的最新实验和过去半个世纪科学家们进行研究显示,空间疾病的诱导因素归咎于太空的零重力环境。

由此看来,人类还没进化出可以适应空间飞行的机体,科学家们也正在弄清楚失重会导致哪些不良病症。例如,欧洲空间局进行了一项研究,对志愿者进行21天一系列的卧床休息实验,与此同时,美国宇航局和俄罗斯空间机构也开展合作,在国际空间站上测试宇航员失重导致生理机能下降的理论,探索如何改变运动和营养来降低空间疾病。然而,如果人类前往火星、木星、土星或者其他天体卫星群,我们就应该找到解决空间疾病的途径,其中一个方案就是美国宇航局在1970年代放弃的打造“人造重力环”计划。

在早期空间站的设计方案中,科学家提出了建造一个巨型旋转轮来制造重力场,这个标准可能是未来空间站的雏形。早在1949年,H·E罗斯在《英国星际学会》期刊上发表了一篇文章,设想了一种“轨道加油站”,其由三个部分组成:酷似“补给碗、面包和手臂。”补给碗则是一个巨大的反射镜面,可以聚焦太阳光并产生热量,这就是一座以太阳能发电的“蒸汽动力”空间站。“面包”结构位于主反射镜的后面,“手臂”装置探入“面包”结构,链接到一个对接口。

任何一种在太空中旋转的环形结构都具有产生模拟重力环境的能力,研究人员罗斯将其命名为“伪重力效应”,通过太阳能聚焦产生的蒸汽动力带动“补给碗”和“面包”围绕着中央轴线旋转,这样就可以产生向心力,模拟出重力环境。如果我们处于旋转轮的内侧,就可以察觉到与重力类似的效果。我们可以通过设定旋转轮的大小和旋转速度来模拟出所需要的重力场值。众所周知,当旋转轮更大、旋转速度更快时,产生的重力效果就越加明显。在2001年的一部电影中,宇航员在环形飞船中慢跑,这个就是人造重力场的情景。

20世纪60年代末期,美国宇航局执行阿波罗登月计划即将结束,随机开展了未来空间站的设计工作,而如何模拟出人造重力场是当时空间站设计考虑的重要因素。根据《太空飞行》杂志的编辑、美国宇航局前空间站设计工程师大卫·贝克介绍:“就现在而言,这些空间站的设计显得完全过时了,在20世纪70年代中期,一系列的实验证明建造空间站的需要开展对微重力环境的研究,因此科学家们放弃了人造重力场的研究,但是现在这个理念可能值得重新考虑。”

在1971年,大卫·贝克发表了关于人造重力场的项目报告,这篇文章还可以在英国星际学会图书馆找到。报告中提到麦道公司研究了一种全新概念的“太空基地”,这是由一系列圆柱形模块组件的空间站。整个轨道构筑物内设置了单独的人工重力场舱室,可以为空间站内的宇航员提供大约是地球重力一半的重力场。而另一个参与竞争的设计师北美洛克威尔公司研制的人造重力空间站,其构造是由四个圆柱形轨道舱组件而成,每个模块都包括了生活区和工作区,这些计划都与罗斯在1949年提出的空间站概念相似,都有围绕中央轴旋转的结构,产生人造重力。

人造重力场空间站的体积也较大,可以容纳大约12至50名宇航员,拥有单独的个人舱室,配备了桌子和舒适的椅子,甚至还有医务室。事实上,这些空间站设计与“鹦鹉螺-X”计划相似,这是一种多任务的空间探索飞行器,该计划是由美国宇航局在2011年提出的,参与设计方还有学术界、航天工业的研究人员。“鹦鹉螺-X”计划设计载人为6名宇航员,外形与空间站类似,配备了大型太阳能电池板和一系列相互连接的节点舱。其主要特征是拥有一个更大的空心旋转轮,外形上酷似自行车的内胎,是由一系列连接环与充气式的太空船组合而成。

这一设计理念被称为“充气式空间站”,目前毕格罗宇航公司正在设计研制这样的空间站,预计2015年可以安装到国际空间站上进行测试。“鹦鹉螺-X”空间站采用了与国际空间站类似的建造概念,设计团队的科学家马克·霍尔德曼认为该空间站在轨道上进行组装,使用了国际空间站的组装技术标准和经验。在2011年,由航天飞机计划的技术应用与评估小组提出未来空间站的研制计划,短期内可以为空间站延长任务提供技术支持,并开发新技术。

研究小组计划建造一个原型舱段,将其安装到国际空间站上进行验证测试。马克·霍尔德曼认为这将会是第一个真正具备人造重力的空间站,而“鹦鹉螺-X”的设计可以为将来建造火星飞船提供支持,其基本运载能力为9至12名宇航员。不幸的是,由于空间机构缺少资金,该项目被取消。鉴于预算的不断减少,可能趋向于研制结构简单、造价更低的空间站,如果是这样的话,工程师们可以参考美国宇航局在20世纪60年代中期执行“双子星”任务,宇航员通过绳索将轨道舱和无人对接模块连接,使得两个模块可以相互围绕对方旋转,该方法也可以产生向心力。

对于一些经费较为紧张的空间机构而言,可能还有一个更加廉价的设计概念,比如麻省理工学院设计了基于空间站内环境的人造重力模型,使用一系列的小型离心机将轨道舱内的桌子和椅子旋转起来,而宇航员则束缚在这个小系统内,这样也可以产生类似重力的效果。但是这个设计也存在问题,虽然制造出类似重力的环境,但也会给宇航员产生晕车的感觉,实验表明,该设计可以降低一些不利的空间飞行影响。

但是这种方法与巨大的旋转式空间站设计相去甚远,在2001《太空奥德赛》中,巨大的旋转轮显得非常优雅,贝克认为可能存在另一个方式来制造首个拥有重力环境的宇宙飞船。如果我们在太空中打造“轨道酒店”,那么肯定需要人造重力场,由于50%的宇航员患上空间疾病,如果我们要在近地空间建造旅馆,重力场是不可或缺的。

在商业太空旅行爆炸式发展的今天,这种想法并非无法实现,事实上,美国宇航局与酒店大亨罗伯特·毕格罗合作研发的第一个充气式轨道空间站就是该想法的具体实现,毕格罗希望将他的酒店业帝国扩展轨道业务。也许有一天,巨型车轮状的充气式空间站会终结这一争论,里面居住的是百万富翁而不是火星探险者。

[责任编辑:quarkqiao]
您认为这篇文章与"新一网(08008.HK)"相关度高吗?

网友评论

热门评论

最新评论