人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

重力問題仍舊是太空探索任務的一個絆腳石。為了解決這個問題,YouTube用戶smallstars提出了“重力鏈星際飛船”(GLS)設想。GLS是SpaceX“星際飛船”的變種,能夠提供人造重力。SpaceX是否對這一設想感興趣,現在還是一個未知數。也許,埃隆•馬斯克和他的團隊早已提出了他們自己的人造重力設想。

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

藝術概念圖,SpaceX的“星際飛船”進入地球軌道

儘管在現實生活中我們面臨很多問題和挑戰,但這仍舊是一個令人興奮的時代。現在,太空探索任務的規劃人員和工程師正在研究各種設想。在不久的將來,這些設想將成為現實,讓宇航員近50年來第一次飛出低地球軌道。除了重返月球,我們還將進一步探索火星以及太陽系內的其它遙遠天體。

太空探索任務面臨很多挑戰,不僅僅是長時間暴露於輻射和微重力環境帶來的不利影響。為了保護宇航員免遭輻射侵襲,科學家提出了很多可行方案。不過,重力問題仍是一個絆腳石。為了解決這個問題,YouTube用戶smallstars提出了“重力鏈星際飛船”(GLS)設想。GLS是SpaceX“星際飛船”的變種,能夠提供人造重力。


人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力


美國宇航局1969年提出的人造重力空間站設想。這個設計存在缺陷,因為宇航員會在重力和失重環境之間來回切換

GLS的部分靈感來自於科幻作品。在科幻作品中,星際飛船要麼利用某種特殊裝置產生重力,要麼通過旋轉的部分產生重力。前一種設想很像超光速引擎,利用完全虛構或者只在理論上可行的物理學;後一種設想則完全具有可行性。

人造重力的歷史可追溯到一個世紀前,前蘇聯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(1857-1935)率先提出了這一概念。他是火箭學和航空學的奠基人之一。1903年,齊奧爾科夫斯基發表論文《外太空火箭裝置研究》,提出利用旋轉力在太空中產生人造重力。

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

一款空間站設計,與馮•布勞恩上世紀50年代提出的設計類似

在此之後,科學家又提出了很多人造重力空間站和太空棲息地設想,其中包括馮·布勞恩輪、奧尼爾圓筒和斯坦福環。某些設想甚至進入研究階段,例如美國宇航局的鸚鵡螺-X空間站和門戶基金會提議建造的旋轉空間站。鸚鵡螺-X利用一個旋轉的圓環產生人造重力。

在對向心力進行一些研究後,smallstars提出了GLS設想。他在一段視頻中指出GLS基本上就是一個轂型飛船,就像是一個輪子的轂,有效載重艙被一個可以自動展開和部署的桁架充滿,桁架起到“輻條”的作用。GLS將部署在兩艘搭載宇航員的星際飛船之間,與它們“組團”完成6個月的火星之旅。

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

科學家提議打造人造重力版飛船,執行火星探索任務

一旦組隊,客船將通過旋轉重新定向,同時點燃助推器,為“輪子”提供動力。一旦產生足夠的速度,模擬地球重力(1G),客船再次重新定向,向內旋轉,面朝轂船。在餘下的旅途中,由於“輪子”旋轉產生的向心力,客船上的宇航員會被向下拉。

smallstars表示:“重力鏈星際飛船提供旋轉重力,對主發動機進行再利用同時充分利用剩餘燃料,避免了不切實際的太空建造和太空行走。GLS基本上就是一艘轂型飛船,就像是一個輪子的輪轂。有效載重艙並不搭載人員和貨物,而是被一個可以自動展開和鎖定的桁架充滿。桁架起到了“輻條”的作用。”

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

藝術概念圖,SpaceX的“星際飛船”矗立在月球上

現在,科學家對暴露於微重力環境所能產生的長期影響有著很深的認知,這主要感謝宇航員在國際空間站上進行的各種研究。微重力環境能夠導致肌肉流失、骨密度下降、器官機能受損、視力損傷、心血管功能下降,甚至能夠改變基因。

美國宇航員斯科特·凱利用親身經歷揭示了太空飛行的健康風險。作為美國宇航局雙胞胎“天地實驗”的一部分,他在國際空間站逗留了一年之久。回到地球后,他必須重新適應地球上的生活。整個過程讓他非常痛苦。為了避免這些健康影響,科學家必須為宇航員制定行之有效的應對策略。

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

門戶基金會提議建造的旋轉空間站,借鑑了馮•布勞恩上世紀50年代的設計

未來,宇航員將重返月球,同時還會奔赴火星。火星的低重力環境將對宇航員的健康產生哪些長期影響,現在還是一個未知數。

為了確定GLS系統的細節,smallstars進行了一些必要的計算,以揭示模擬地球重力所需的桁架結構和所要達到的速度。藉助SpinCalculator計算器,他發現一個直徑100米的系統需要達到每秒31米的旋速(大約每分鐘3圈),才能產生1G的重力。

人造重力版“星際飛船”設想:通過旋轉的部分產生重力

美國宇航局1989年提出的旋轉火星飛船,可產生人造重力

現在,smallstars正在研究GLS系統的第二代,包括關於旋速的最新計算結果和新的桁架外形,同時引入繩索,用以加強桁架的抗張強度。他計劃在不久的將來公佈第三版設計。這一版本將涵蓋負載的相關計算結果以及展示部署過程和桁架功能的動畫。

SpaceX是否對這一設想產生興趣,現在還是一個未知數。也許,埃隆·馬斯克和他的團隊早已提出了他們自己的人造重力設想。如果是這樣情況,究竟誰更勝一籌呢?讓我們拭目以待。


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