人工引力：定义、未来技术和研究

By Robert Lea 

2022/5/21

Tech

人造引力可以彻底改变太空探索和地球外旅游。

(Image credit: Getty Images)

人造引力是在一艘航天器中一种惯性力的创造，以模拟引力的力。这个概念往往见于但不仅限于像“星际迷航”等科幻中，研究人员目前正工作在在太空中创造人造引力的方法上。

人造引力的创造不仅简化下一个太空探索的时代，使任务更直接，而且对潜在的太空旅游也是至关重要的。

在太空中微引力的影响实际上对人类能是有害的，因此随我们观察更长的载人使命包括前往火星的旅程，人造引力可能对我们的宇航员的健康是至关重要的。

创造人造引力

阿尔伯特·爱因斯坦在他1905年的狭义相对论中写道引力和加速度实际上是不可区分的。这意味着在一枚以每秒31.19英尺（每秒9.81米）平方的速度------地球上向下的引力加速度------飞行的火箭中，一个宇航员会感觉到他们的身体被锚定在地板上，就像身体在他们的家园星球上一样。

问题是在太空中你不能总是以这种速度加速，特别是在一个轨道空间站中。幸运的是，有不止一种形式的加速度------通过使用离心力我们能在地球上产生某些与引力等价的东西。

在太空中产生人工引力的一种可能方法是利用一种叫奥尼尔（O'Neill）圆柱体的技术。以提出它们的物理学家杰拉德·奥尼尔（Gerard O'Neill）的名字命名，这由一对以相反方向旋转的巨大圆柱体组成，允许它们永久的被指向太阳，复制引力。

太空探索公司蓝色起源的所有者杰夫·贝佐斯已经提出，奥尼尔圆柱体作为浮动太空殖民地的基础，使数万亿人能够生活在轨道中。

除了距离任何一种实际应用都有很大的距离之外，奥尼尔圆柱体长20英里（32.2公里）、直径4英里（6.4公里）被设计来容纳数百万人，对于大多数比太空殖民地更小的应用圆柱体太大了。

科罗拉多州博尔德大学的研究人员有一个更小比例的建议------可以安装在航天器房间内的旋转系统。

测试一种可以允许宇航员短暂地撤退到地球一样的引力的离心机。  (Image credit: University of Colorado Boulder)

虽然这不会为整个飞船或空间站提供人工引力，但它将使太空旅行者能够撤退到一个特定区域，并花一些时间体验一个更像地球的引力场。

该系统还使用离心加速度，复制一个1G的引力场------与地球上的引力场相同------宇航员躺在一个短半径离心机上快速旋转。

然而，旋转宇航员可能不是理想的解决方案。任何已经骑过这个茶杯太多次的人都能告诉你，这种方法有它自身的健康影响。

创造人工引力的另一个潜在设计是一个长长的旋转棒一样载具，跨度约328英尺（100米），一端有一个核反应堆，另一端是一个用于前往火星的旅程的乘员舱。然而，这些已经有阻止它们应用的工程问题。

微引力的健康影响

美国宇航局宇航员凯伦·尼伯格（Karen Nyberg）使用一种装置来检查潜在受到微引力影响的眼睛健康.  (Image credit: NASA)

建立人工引力可能对长期太空使命中保护宇航员健康是关键。五十年来，美国宇航局的人类研究计划（HRP）已经研究了微引力对人体的影响。

他们已经发现每个月在太空飞行中平均剥夺地球引力的承重骨骼损失1%至1.5%的矿物质密度。在微引力条件下，肌肉质量的损失比在地球上更快。

除了这些因素之外，在太空飞行期间人体内的液体能向上移动对眼睛施加压力，潜在的导致视力问题。

游客太空酒店

一个旋转的旅行者站的可视化，它将支持科学实验并作为一个游客的“太空酒店”。. (Image credit: Orbital Assembly Corporation )

     旅行者空间站是一个计划中的旋转轮空间站，将于2025年开始建设。由轨道装配公司（OAC）率先推出的旅行者号将以两个关键方法与国际空间站不同，它将向公众开放，它将有人为引力。

被放置在低地球轨道中，太空酒店将旋转得足够快，足以为它的400名住户产生人工引力。如果空间站被按目前计划完成，它将变成从来进入轨道的最大人造结构。

该项目的第一步将包括创建一个原型引力环来改善太空中的人造引力是可行的。直径200英尺（61米）的环将产生相当于地球大约40%的重力，或与火星的重力大致相同。

其他资源

有关人工引力的更多信息，请查看由Gilles Clément和Angie Bukley 写的"人造引力（Artificial Gravity）" ， 查看更多人工引力设计Orbital Assembly Corporation (OAC).

书目摘要

·                                 NASA, "人造引力（Artificial Gravity）", March 2021. 

·                                 NASA, "太空中的人体（The Human Body in Space）", February 2021

·                                 Theodore W. Hall, "人工引力理论和实践（Artificial Gravity in Theory and Practice）", 46th International Conference on Environmental Systems, July 2016. 

·                                 National Space Society, "奥尼尔圆筒空间居民点（O’Neill Cylinder Space Settlement）", accessed May 2022. 

·                                 National Space Society, "标准圆环空间定居点（Stanford Torus Space Settlement）", accessed May 2022.

·                                 Orbital assembly, "这里是空间引力实验（The Space Gravity Experience Is Here）", accessed May 2022. 

·                                 Nikolas Martelaro, "为标准圆面提供动力（Powering the Stanford Torus）", Stanford University, May 2017.