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人造重力很难吗?解决宇航员站不起来,为什么空间站不模拟重力?

2021年9月17日13时34分,神州十二号以前所未有的精度下降内蒙古春风着陆场,在着陆后3分钟摆布搜救人员就达到现场,整个使命已经达到了飞船收受接管所能达到的极致,也让全球航天为之侧目。

随后航天员在飞船着陆现场接管了采访,也是航天员返回地球进行的接待典礼,但相信有一幕应该深深刺痛了大师,返回地球的航天员都是坐在椅子上的,而在其他收受接管现场,甚至是抬着航天员走标的目的后勤车。

对于熟悉航天医学的伴侣都知道,这是飞船与空间站内持久掉重造当作常见现象,几乎所有的航天员返回地球都需要一个比力长的顺应过程,在天上待得越久,其恢复时候也越久!严重影响了糊口与工作,能在天上模拟出一个重力情况吗?让今后的空间站使命就像出趟差那么简单!

持久掉重对人体影响有多大?

掉重很好玩,飞来飞去,搬个重物不要太轻松,但事实上航天员却没表情玩!并且长时候在这个情况下,对人体影响会半斤八两大:

首先第一个就是人体前庭器官的位置传感器掉效,会有很是严重的眩晕,不外这个问题顺应下也就差不多了,比力麻烦的工作在后面,持久掉重下,有几个问题,第一个是身体伸展,在地球上就算您躺着也费劲,但掉重不会,肌肉无需连结严重感。

所以肌肉萎缩会随之发生,第二个严重问题是血液削减,红细胞削减!因为掉重后体液从头分布,跑到上半身,身体感受血液多了就会主动调节体液功能,但总血量与红细胞削减会激发心率不齐甚诚意肌缺氧等心脏功能障碍等。

其他的还能导致免疫力下降,比地球上更轻易生病,掉重也轻易导致钙质大量流掉等等,当然在太空中熬炼可以解决肌肉萎缩的问题,利用负压裤也能给解决血液量削减的问题,还有利用药物也能补钙以及改善免疫力,但这些手段都只能改善却无法彻底解决,就没有一劳永逸解决的法子吗?

如何模拟重力情况,国际空间站的重力舱为何打消?

说您模拟重力情况,列位必然记得国际空间站有一个离心重力舱被打消了,它事实是什么道理,为什么又会被打消呢?

国际空间站的重力舱仅仅逗留在打算中,甚至都还没有实施,它的道理是操纵离心力来模拟重力情况,但因为布局比力小,受制于火箭的整流罩直径无法制造得太大,颠末评估后打消了这个舱室,但至少告诉了大师一个可能,在太空制造人工重力是有可能的!

模拟重力情况,有几种可能?

重力情况很是特别,在地球上上司空见惯的现象,在空间站却没有,这里的绕地发生的离心力和重力相等,所以处在掉重或者称微重力状况,一般来说在掉重状况下模拟重力有几种体例:

1、1个G的加快度不竭加快或者以1个G的加快度不竭减速

2、用离心力来模拟重力情况;

3、制造重力场的体例来重建重力情况;

第一个在火箭发射时或者在航天器返回地球城市遭遇过载,前者是加快度发生,后者减速过快发生,但问题是一个需要不竭加快,另一个需要不竭减速,前者大约一年多点就会接近光速!

所以似乎可以这样玩,不竭加快,然后快到光速了再失落头不竭减速,然后频频!估量为了模拟重力,不知道要耗损几多燃料,再有钱也不克不及这样烧,所所以行不通的。

在科幻片中经常可以看到人直接站在飞船上,从理论上来看在飞船上制造一个重力场确实可以,但重力情况就此刻而言,需要一个将达的质量体来实现,好比地球那么大才能供给1个G的重力情况,带着地球走?还要飞船干什么?除此以外,似乎很难想象还有其他手艺可以实现。

最后就只剩下了“离心力”模拟这种体例

大师都知道“离心力”这种体例,好比在杂技场上摩托车能在庞大的垂直环形内壁熟行驶,操纵的就是“离心力”,是以只要制造一个近似国际空间站的模拟重力舱即可实现,并且布局简单,要多大重力,只需要调整转速即可!

可是问题来了,人站在离心布局模拟上,一般的理解就是头部指标的目的扭转中间,脚下则与接触点切线偏向垂直,此时您会发现一个问题,头部所收到的离心力和脚底部位是纷歧样的。所以这个时辰前庭器官感触感染到的位置状况和脚下的状况存在差别,会很是不舒畅。

另一个则是因为模拟重力情况的尺寸不敷大,所以要足够的离心力来模拟重力情况的话,需要比力高的转速,此时会因为前庭器官的同时还较着感受到了位移以及空间位置的转变,很快就会眩晕,这种情况下待久了估量人得发狂!

用离心力来模拟舒适的重力情况,需要多大的布局?

是以必然要有足够大的情况来模拟重力情况,那么事实要多大的布局呢?这是可以计较出来的,好比人的前庭器官对扭转感受比力较着,必然要比力慢一点,每分钟跨越三转就会感受不舒畅,是以要将转速节制在1.5~2圈/分。另一个则是重力情况,我们不需要模拟1:1的重力,只需0.5G即可,那么只需如下计较:

0.5G的情况即为:4.9M/S^2

w要求为2转/分,换算当作弧度约0.2094395弧度/秒

那么可以得出所需要的半径为R=111.7M

列位可是要看细心了,这是半径!比国际空间站的宽度还要大(国际空间站长度是太阳翼尺寸,宽度是舱室尺寸),所以想要在太空实现重力情况,得造一个直径大约220多米的空间站。

事实用什么布局比力好?

圆环形显然是最合适的,中间对称看起来也美不雅,好比在《火星救援》中的“赫尔姆斯号”飞船,中心就有一个环形的糊口舱,它能在从地球到火星的途中供给一个重力情况。

《星际穿越》中的“永恒号”则是多个舱室毗连起来的环形,究竟结果在太空中无所谓气动外形,只要能达到足够的标的目的心加快度,那么只需在扭转时配平即可。

还有个典型的布局则是《阿凡达》中的长杆状,它的中间位于“创业之星号”的轴心上,以每分钟2-3圈的速度绕着运行,如斯速度下横杆的长度可以降低一些,但会牺牲舒适度或者降低重力加快度。

《太空搭客》中的“阿瓦隆号”则是整体螺旋状,飞船飞翔的时辰滚转模拟发生重力。

四种布局都比力不错,但前两种的布局,直径为220米的圆环,周长达到了691米,显然是一个超等工程,而最后一种“阿瓦隆”飞船,显然不是人类此刻的手艺所能制造,是以在当前状况下最轻易实现的是长杆型的模拟重力舱。

长杆状就是模拟重力舱

好比降低要求,只需要0.2G的情况,转速在2圈摆布的环境下,其长杆反转展转半径可以减小到44.68米,也就是长杆的长度为89米摆布,根基上此刻的国际空间站转起来即可知足要求!

当然空间站不是没法转,它只是并非按扭转发生重力的布局设计,若是要发生重力情况的话必需要专门为重力情况设计沿着长杆设计梯度模拟重力情况的舱室,越接近中心重力越微弱,越接近两头重力约大,在长杆的顶端达到最大“重力情况”为0.2G。

为什么要环形和长杆型,球形行不可?

在模拟发生重力的情况下,球形并不是一个合适的外形,除了在“赤道”位置两头有合适的模拟重力外,其他位置会发生并非垂直于地板的“分力”,好比参考《太空无垠》中的谷神星空间站,倒个水都要歪出去很远。

其实早在上宿世纪70~80年月的“太空大帆海时代”早就规划设计了超等环形空间站,有长圆筒状的,有超等环形的,在《极乐空间》中这样的空间站,上宿世纪的科学家早就想象过了,其实长短常壮不雅。

但就此刻而言,长杆状是最接近实际的选择,其实现当作本也最低!长杆环绕中间可以不设计机械密封扭转装配(将来对接很是麻烦,对接前可以先停转),也可以设计当作具有中间舱室的布局,利用毗连机构连结中间不转,但会存在毗连机械布局的问题,显然前者布局简单。

延长阅读:如何制造零重力情况?

重力情况在地面上是不需要模拟的,反而要模拟零重力情况以供练习与尝试,一般现代零重力情况有几种实现体例,一种是自由落体,另一种利用飞翔器在跃升到高空到下降时连结必然的上升与下降速度来模拟掉重情况。

前者时候自由落体时候可以经由过程高度计较出来,后者也可以按照飞翔器的跃升曲线以及极限升限计较出来,但很显然时候都比力短(利用飞机模拟时候长一些),并且零重力模拟当作本比力高,好比欧洲的零重力航班,票价每人跨越6000美元!

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