空间站为何不建成环形,靠转动来模拟出重力呢?

自从人类诞生以来 , 人类对未知领域的好奇心 , 以及对此开展的孜孜探索 , 是推动人类文明发展的重大驱动力 。 近现代以来 , 随着物理科学、天文学理论的发展 , 人类对自然界和宇宙空间的认知程度越来越深化 , 人类的视野已经从脚下的地球 , 拓展到几百几千甚至上万上亿光年的广袤宇宙 , 而人类本身的足迹 , 也已经挣脱了地球的束缚 , 来到太空 , 来到月球 , 后续还会到达更多的星球 。
空间站为何不建成环形,靠转动来模拟出重力呢?
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空间站为何不建成环形,靠转动来模拟出重力呢?】空间站转动产生模拟重力
为了提高宇航员在太空中的停留时间 , 以此来开展更多耗费时间的科学观测以及科学实验 , 拥有较大空间和拓展性的空间站应运而生 。
我国充分发挥后发优势 , 成功实施具有独立自主知识产权的“天宫”空间站计划 , 3名宇航员顺利进行常驻任务 , 我国因此成为继美国和俄罗斯之后 , 第三个具备空间站建设能力的国家 。 目前 , 地球的上空 , 拥有两个空间站 , 过不了几年 , 国际空间站就将退役 , 届时太空中的空间站 , 就只有我国的天宫空间站了 。
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由于空间站距离地面数百公里 , 上面所受到的来自地球的引力 , 已经变得比地面小很多 , 而且随着不断的转动 , 产生的向心力一部分也充当了重力 , 所以宇航员在空间站中 , 会出现不同程度的失重和微重力影响 , 给宇航员的正常工作和生活带来了诸多不便 。 而且 , 宇航员长期处在微重力或失重环境 , 会对骨骼、肌肉、血液循环系统、神经系统产生损伤 。 那么 , 能不能在空间中 , 创造出与地球表面相似的重力环境呢?
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从目前来看 , 还真的可以 , 虽然我们不能直接增加所受的重力 , 但是可以通过一定方式来间接创造 , 这种方法就是旋转 。 相信大家看过一些科幻电影 , 比如《火星救援》中的赫尔姆斯号飞船 , 《星际穿越》中的永恒号 , 都是利用一定稳定速度下的旋转 , 模拟出接近地球表面的重力加速度 , 从而间接创造出了重力 。
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需要建多大?
我们在地球表面能够感受到重力 , 是由于地球对人体和物体万有引力作用下 , 所产生的重力加速度 。 引力越强 , 重力加速度就越大 , 单位质量的物体所受到的重力就多 。 如果我们将一个物体旋转 , 那么这个物体也会产生一个加速度 , 即向心加速度 。 只要半径够大 , 旋转速度适合 , 人体感觉不出眩晕等不适 , 那么 , 恭喜 , 旋转引起的重力就产生了 。
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以人体所能承受的转动周期(一分钟两圈)为基础 , 再以对人体产生较小损害、回到地面能尽快恢复的最合适加速度(0.8G)为最终目标 , 我们可以通过公式来计算出空间站旋转的半径大小 。
这个公式很简单 , 就是物体旋转时的向心加速度公式:a向=ω^2*r , 这里 , ω是转动的角速度 , r是转动半径 。 通过计算 , 我们可以得出r的目标值约为180米 。
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也就是说空间站如果设计成环形 , 半径需达到180米 , 方可在一分钟转两圈的情况下 , 产生接近地球表面重力加速度的0.8G的重力环境 。
对比一下国际空间站 , 其全尺寸长度也才110米 , 宇航员主要工作的核心舱 , 和我国空间站的核心舱才10多米长 。 距离上面180米的环形理想目标 , 差距非常大 。
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目前不这样做的原因
从目前来看 , 要想建造那么大的环形空间站 , 还存在着诸多困难 , 主要表现为三个方面:
一是建造成本 。 国际空间站从建造到完工 , 前前后后花费了相当长的时间 , 投入1600多亿美元 。 如果建造巨大的欢迎空间站 , 成本将远远不止这些 , 无论是研制、发射、星际运输、运行维护 , 都需要天文数字般的投入 。
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二是技术 。 现在的任何国家 , 估计都没有建造大型环形空间站的能力和技术 , 需要更为先进的火箭、发动机、结构设计、高强度耐受材料、对接交汇等 , 否则再多的花费都可能打水漂 。