中国航天报
近日，马斯克提出畅想，未来“星舰”奔赴火星途中，将会小幅旋转，从而在舱室地板向下的方向产生一定的人造重力。人造重力一旦成真，将在航天任务中发挥哪些优势？有哪些相对可行的制造方法？科研人员为此需要克服哪些困难呢？
“星舰”旋转产生重力示意图。
航天员期盼“保护神”
航天员在轨工作时，“万物飞扬”的景象令地球上的航天迷心驰神往。殊不知，失重状态有可能给载人航天器与航天员带来不小的麻烦。
在近似无重力状态下，载人航天器的很多机械仪器仪表无法正常使用，包括滚珠类轴承、摆锤钟表等依赖重力作用工作的器材。此外，载人航天器中的设备布置与管线固定也会显得局促，造成可靠性下降和成本上升，毕竟失重引发的设备与电缆位移或许潜藏着不容忽视的隐患。
美国宇航局的一份载人航天事故统计报告指出，因固定插销或锁纽不到位，导致航天器内部出故障的情况，占总数的1/3还多，这也是航天员的日常维护检修工作最容易遗留的麻烦。如果人造重力技术获得突破，那么对载人航天器工作安全无疑是福音。
更重要的是，长期失重状态会对航天员的生命健康造成重大威胁。一方面，失重会促使人体血液过多地流向与滞留在脑部，易形成血栓，危及生命。另一方面，骨骼在这种环境中会逐渐疏松，肌肉也会逐渐萎缩。
在某次跨国健康调研中，37名在国际空间站长期工作的航天员被检查出8%～17%不等的肌肉萎缩现象。要知道，这些专业航天员长期在地面接受严格训练，在空间站上还可以使用简易健身器材，但仍无法阻止生理机能的消极变化。所以，我们经常看到，航天员返回地球后需要被救援人员抬出来，这正是为了他们的健康安全考虑。苏联航天员曾因出舱后站立接受献花，意外摔倒受伤。
此外，近似无重力的生活环境还会对航天员的生理机能造成多方面消极影响，如睡眠质量下降、食欲不振、味觉退化、注意力和判断力受干扰等。曾有不止一位航天员透露，即使在太空中将自己固定起来，但飘浮感仍迫使自己经常从梦中惊醒。类似情况随着太空滞留时间增加，势必会更加明显，从而妨碍航天员工作生活。
可以说，人造重力是航天员期盼已久的“保护神”。它有望一劳永逸地解决“失重病”，帮助人类以更矫健的步伐、更健美的体态向更深远的宇宙迈进。
思路不同 各具特色
在60多年载人航天发展史上，人造重力解决方案成为无数航天科研人员的攻关方向，也为大量科幻创作者发挥想象力提供了题材。综合来看，至少有3种解决方案具有理论上的可行性。
其一，加速度模拟重力方案。
日常生活中，我们之所以感受到重力，是因为地球引力给了我们向下的9.8米/秒的加速度，设定单位为g。如果我们坐过山车由低点冲向高点，向上的加速度大小在某个时刻会接近重力加速度g，从而给我们带来类似失重的飘飘欲仙之感。
与之相似的是，在失重的太空环境中，如果飞船能够垂直于舱面给出一个向上的加速度，那么站立在舱面上的航天员就会感觉“恢复地球重力”。这就像我们乘电梯上楼，当电梯以1g的加速度向上提升时，如果地球引力突然消失，我们多半会从近似失重状态“解脱”，以为“电梯未动”。假如这部电梯的轿厢变得透明，我们就会震惊地发现，其实电梯正在风驰电掣地向上提升。
在此方案中，载人航天器有必要配备多部矢量发动机，其中部分推力用于模拟地球重力而产生1g加速度。
其二，离心力模拟重力方案。
为了便于理解该方案，我们可以向空矿泉水瓶中丢进几粒小石子，然后以肩膀为中心，手臂为半径，进行大风车式轮转。当转速足够快时，我们就会发现，小石子被牢牢地固定在瓶子底部。
我们将场景换一下，在太空中，“瓶子”是载人航天器乘员舱，“小石子”就是航天员。最早想出这种方案的人很可能是冯·布劳恩，他提出的空间站设计主体是一个直径近60米的“摩天轮”，由核动力保障其始终具备一定的转速，而转动可以使舱内航天员受离心力影响，“脚踏实地”在舱面上。按照他的设想，“摩天轮”只要调整转速，就有希望模拟出地球重力。
这种转轮式空间站设想被众多科幻作品认可，我国科幻大片《流浪地球》系列中的巨型空间站就是它的特效成像：当空间站正常运行时，航天员们可以像在地球上一样正常行走；当空间站即将毁掉时，内部失重，人和设备、碎片都会飘浮起来。
《流浪地球》中的转轮式空间站。
其三，电磁力模拟重力方案。简单地说，太空中的载人航天器加装特殊设备，产生电磁场，也就是制造人工磁场与定向电流。航天员们穿戴特殊的感应服装，承受电磁力，就像感受到地球引力一样，被稳稳地“压”在载人航天器的舱面上。
航天器利用电磁场获取人造重力想象图。
从中学课本里，我们知道，电流、磁场和力往往是相生相伴的，还可以互相转换。其实，电磁力已被运用到了很多领域，包括磁悬浮列车、航母电磁弹射器等，设备技术指标和可靠性仍在不断进步。既然电磁力能够轻松、稳定地推动数十吨的飞机和数百吨的列车，至少在理论上同样可以成为太空中的人造重力之源。
难点不少 有待突破
常言道，顺势而为，事半功倍。不过，从某种程度上说，人造重力属于“逆势而为”，难度可想而知。尽管航天技术取得了显著进展，但人造重力仍未在太空中成真。以上述3种人造重力解决方案为例，它们各自面临一些缺陷和难关，有待技术突破。
加速度模拟重力方案看似最为简单可行，但想要让载人航天器乘员舱长时间保持模拟重力环境，那么至少一部分发动机必须持续输出足够的定向推力。可想而知，这种持之以恒的消耗是常规航天燃料与现役载人航天器携带量所无法承受的。
另外，载人航天器在某个方向保持1g加速度，随着飞行时间延长，其速度必然越来越快，承受的阻力和热量也会越来越大，载人航天器的结构和材料必然面临苛刻考验。即使是在理想情况下，载人航天器使用这种方法也仅能为航天员提供人造微重力环境，而且很可能是间断性的。
有方案提出，将乘员舱设计为可旋转式，在载人航天器加速与减速之间实现频繁的“天地转换”，有望降低可持续性指标要求。可想而知，这种复杂设计即使成真，航天员的体验也远远称不上舒适。
至于科幻爱好者最推崇的“摩天轮”方案，最大的难点是制造与对接的难度。一次性将直径近百米的圆形巨物送入太空，恐怕超出了可预见时期内的航天运输能力。相对合理的办法是分段运输上天、在轨对接成型，但想要确保较大弧度的大部件在太空中精准对接，对技术、工艺和操作经验都将是严峻考验。
另一个办法是向已有的空间站输送大量更细小的部件，由航天员像“愚公移山”一样在轨组装。可想而知，这类任务需要消耗不计其数的人力物力，背后要求廉价太空运输技术、人工智能技术、航天材料与结构设计等取得显著进步，牵涉之广，远远超出建造太空“摩天轮”本身。
那么将电磁力转化成人造重力如何呢？在高电场强磁场环境中，航天服保护航天员比较“吃力”，而载人航天器的设备仪器克服电磁干扰同样艰难，现有屏蔽技术与隔离措施无法满足要求。
此外，在可预见的技术水平下，为了提供人造重力而配备的电磁感应系统必然体积、质量巨大，导致载人航天器的制造难度和成本大幅上升。长时间稳定的电磁力输出与控制同样对可靠性提出了苛刻的要求。
这样看来，人造重力服务于航天任务似乎还比较遥远。不过，在技术飞速进步的同时，诸多奇思妙想也呈现在航天科研人员的脑海中，相信人造重力终将成真，助力航天员踏上漫长的星际征途。
本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》
文/孙飞
原标题：《“星舰”或将旋转模拟重力，除了旋转，还有哪些可行方法？》
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来源：中国航天报
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