人造重力能实现吗?
我坐飞机时曾体验过一次失重,那种感觉非常难受,甚至至今我都有心理阴影。
我们偶尔体验一次失重已经很难受了,而航天员在太空中天天失重,他们受得了吗?失重的感受还是其次,重要的是失重对人体健康也有损害,比如会令骨骼和肌肉退化、心脏和视力出现问题,就连认知能力也会大打折扣。
既然失重状态对航天员有这么多损害,那么我们正在搭建的最新的中国空间站,能不能采用人造重力,来缓解航天员在太空中失重的情况呢?
1.什么是人造重力?
说起人造重力,你可能觉得不可思议:重力也可以人造吗?
其实从原理上讲,人造重力并不难,只是实现起来很难而已。如果你看过电影《2001:太空漫游》,应该记得里面的空间站就像是巨大的车轮(如图1-3所示),利用旋转即可创造出人造重力,使内部人员像行走在地面上一样舒服。
但到目前为止,还没有航天员真正在太空站里这样行走过。如果你想体验这种感觉,可以到游乐场里坐一次大型离心机。
图1-3
旋转之所以能产生重力,是因为向心力的存在。当离心机旋转起来后,你背后的墙面就会在向心力的作用下不断推着你,迫使你跟着它一起旋转,而不是沿着一条直线被甩出去。此时,你与离心机是相对静止的。如果把参考系放入这个相对静止的系统里,神奇的重力就产生了。
2.旋转速度才是关键
早在20世纪60年代,NASA就曾开发出一台巨大的离心机来测试人造重力的可行性。当航天员进入离心机后,相对来说,整个离心机都在旋转,而航天员与离心机是保持相对静止的。如果此时离心机旋转速度恰好合适,那么一切跑、跳、走等运动都与在地面上无异,向心力便成为绝对真实且可以测量的“重力”。
所以,人造重力一点也不难,真正难的是尺寸问题。前文说过,一个恰到好处的旋转速度才能让人感觉与在地面上无异,这是产生人造重力的关键。而恰到好处的旋转速度,跟空间站的尺寸关系密切。离心机直径越小,需要的旋转速度就越快。试想一下,生活在一个转得飞快的陀螺里,那种感觉一定不会太好。
在《2001:太空漫游》里,我们看到弗兰克·普尔(Frank Poole)就是在一个旋转着的半径约为8米的控制模块里淡定自在地慢跑。通过计算可知:想要在这个圆筒壁上产生相当于1g(即9.8米/秒2)的加速度的话,每分钟的转速需要达到10.5圈。在这种转速下,旋转参考系里面的“科里奥利效应(1)”将会非常明显,也会让你在里面的运动方向受到偏转。所以,弗兰克的慢跑只是电影里的场景,在真实场景中则很难实现。而实际中,中国空间站核心舱“天和号”的直径只有4.2米。
3.增加离心机尺寸可行吗?
当然,如果不想离心机转得太快,可以通过增加尺寸来实现这个目标。但科学家估计,想让旋转速度慢到勉强适宜人类居住,离心机的半径至少要达到100米,相当于两个国际空间站的宽度。有人曾做过估算,《2001:太空漫游》中那个半径150米的旋转空间站大约重6.8万吨,如果用我国的长征五号运载火箭来运载,需要发射2720次才能将它送上轨道。可以想象,无论是火箭发射还是太空安装,都将是一件非常费钱和费时的事情。
问题不止于此,即便真能把离心机建造出来,仍然会有很多问题。比如,由于半径不够大,它会让你的头和脚处于两个明显不同的重力区间,这很危险,因为你的心脏必须更加努力地工作,才能保证正常的血液循环。并且,你还要习惯生活在经常性的晕头转向中,因为一旦弯下腰,甚至只是晃一下脑袋,都会让你耳朵中的“陀螺仪”—内耳前庭,突然间切换到另一个重力频道。这也是人在失重时会头晕呕吐的原因。
所以,想要人工制造出重力并不难,也许不久之后就会有类似的航天器升空,帮助航天员更安全和舒适地执行太空任务。但是,想要像生活在地球上那样生活在太空中,人类还有很长一段路要走。