空間站為什麼不建成像科幻片裡的圓形,靠離心力模擬重力?

蒲公英的約定數


科幻片可以用數碼或者用模型來做,而真實的空間站是需要真金白銀做出來,怎麼能一樣呢?

我們一定要弄清,科幻不是科學研究,也不是現代科學技術,也不是科普,不要把這幾者混為一談。

科幻是根據現有科學水平加上對未來科學發展趨勢的預測,大膽超前想象的產物,裡面雖有一些科學內核,但與嚴謹的科學研究成果和現實科技發展完全不是一碼事。

而人類真正的飛往太空,是不能夠憑想象的,而是不但要理論上能夠過關,技術和實踐上必須能夠實現,科幻中能做到的在現實中還不能做到,否則就不叫科幻。

說了這麼多,大家應該清楚了,科幻影視中靠離心人造動力的場景,是一種理想,也有可能在未來成為現實,但現在還不成熟。

長期在無重力或低重力中,會對適應了地球重力狀態的人類健康造成傷害,這一點已經被證實。

人工重力可以防止這種傷害,但要實現太空中人造重力解決這個問題,並不是一件輕而易舉的事情。

我們通過科幻影視比較熟悉的一種人工重力方法,是通過太空船整體或者局部的旋轉,使太空乘員感受到離心力,得到一種模擬重力效果。這也的確是目前科學界認同最可能實現的方法。

但這種理論和技術還沒有達到實際應用的水平。

而且現階段的空間站就是一個在地球軌道上進行低重力實驗的基地,而且航天員們在上面實行交替輪流,時間並不長,可以採取一些其他方法,比如彈性鍛鍊來一定程度解決乘員健康問題。

所以,目前的空間站並不十分需要解決人工重力問題。

如果現在我們一定要在空間站解決人工重力問題,就必須做一個旋轉的大圓環,即使技術成熟了,但付出的造價和代價會大很多,建造週期也會大大延長。

而且由於設備體積大大增加,安全風險會呈指數級上升,得不償失。在現階段,在太空中保障航天員們的安全,才是最最重要的事情。

說穿了,就是現階段人類無論從技術上,還是實力上,都還沒有建設大型重力空間站的條件,而且從實際需要上也還沒有必要。

今後人類一定要走出地球,走向太空,人類將長期在太空中生活,那個時候,人工重力一定會成為太空船或者太空城的標配。

我想在不久的將來,NASA前往火星的載人飛船上,為了保障宇航員在長時間旅途中的身體健康,就有可能會設計採用某種人工重力裝置,而且這種重力裝置很可能會未來幾年NASA重返月球計劃中進行實驗。

因為NASA重返月球計劃主要目的之一,就是為了實現2033年左右載人前往火星進行技術演練和適應性訓練,我們可以拭目以待。

時空通訊專注於老百姓通俗的科學話題,所發文章均屬原創,請尊重作者版權,謝謝關注支持與合作。


時空通訊


不是不想,實在是臣妾做不到啊。NASA在60年代做過專項研究,要在旋轉的空間站里長期生活,人又不得運動病,則空間站轉速不能超過每分鐘一轉。這樣,要生成一個g的模擬重力,空間站的直徑就要高達一公里。即便只達到十分之一個g,直徑也要上百米之多。更小的重力就沒有意義了。但即便是一百米直徑,人類目前的技術也做不出來啊。


TDEBUG


空間站為什麼不建成像科幻片裡的圓形,靠離心力模擬重力?

科學家非常想將空間站建造成能用離心作用模擬出重力來的環形,比如《極樂空間》中那龐大的空間站,當然那個太大,還是《火星救援》中的赫爾姆斯號飛船或者《星際穿越》中的永恆號,都非常不錯,人類在0.4-0.8G模擬重力下工作與生活,對於身體健康和到地面的恢復時間都可以大大縮短,既然有那麼多優勢,那麼我們為什麼不製造環形空間站呢?

《極了空間》中開放式大氣層的空間站

赫爾姆斯號的環形生活起居艙段

《星際穿越》中的飛行器則比較有趣,整就是一個環狀,個功能艙環形排開,中間的則是駕駛艙,用旋轉艙段隔離!

無疑幾個途中的離心作用模擬重力都是非常舒適的,當然這有一些要求,因為人類前庭器官對旋轉極為敏感,必須將旋轉速度控制在1.5-2轉/分以內,假如要達到0.5G的加速度的話,那麼要多大直徑的環形艙呢?

向心加速度計算公式,a為向心加速度,w為角速度,R為半徑!

0.5G即可4.9M/S^2

w要求為2轉/分,約0.2094395弧度/秒

那麼R=111.7M

即在舒適度約為2轉每分的情況下,如果要達到0.5G的重力加速度,那麼這個環狀結構的半徑要達到112M左右!

國際空間站的尺寸為長108.5M,寬72.8M,但實際國際空間站真正的主桁架長度不超過90M,簡單的說即可國際空間站整個尺寸連滿足上述半徑都無法滿足!而國際空間站還是16個國家和地區花了二十幾年的時間慢慢攢起來的,可想而知那個111M的半徑的環狀空間站有多難!更準確的說,是如下幾點:

一、成本,這個龐大的結構成本無疑是極高的!

二、運輸能力,以當前的火箭技術,組裝一個如此龐大的空間站幾乎就不允許!

三、現階段空間站要求人工重力非必須

出於以上幾點,空間站沒有采用人工重力設計完全是可以理解的,我們必須有,然後才能考慮舒適性!因此即使在未來很長的時間內,也不太可能採用這種設計,除非我們的火箭技術出現突飛猛進的提升,否則還是看ISS這種經典結構吧!


星辰大海路上的種花家


為什麼不呢,原因:科技水平還無法辦到。

科學家早已知道離心力這個虛擬的力是可以營造出人造重力的效果的,當人走在旋轉的物體中時,離心力使他有向外運動的趨勢,而物體的內壁則提供了一個大小相等、方向不同的反作用力使他不至於真的突破出去,這樣的話,就有了重力的效果了。

可是,建造這樣的圓環形狀的太空飛船,半徑需要足夠大,因為製造的人工重力的大小是與飛船的半徑成正比的,而製造出能模擬地球重力的飛船所需的半徑大小是現今人類科技水平所不能想象的。

有人說可以建造的小一些,但旋轉的速度快一些不行嗎?

不行,除非你想在那裡吐到天昏地暗,旋轉的半徑小,那麼頭部與腳部的重力差就很大,那麼上半身的血液就會往下半身聚集,從而造成頭部缺血,甚至昏迷。

總而言之,太小的旋轉半徑不適合星際航行,星際穿越中的飛船尺寸也太小了點。

對此你們有什麼看法呢?歡迎在下方留言探討。我是科幻船塢,感謝大家的閱讀與關注

本文圖片來自於網絡,侵刪


科學船塢


在科幻小說和電影中太空船和太空城總被塑造成輪胎狀,這樣做的理由是利用“輪胎”旋轉時的離心力來代替重力,從而讓裡面的人生活在和地球一樣的重力下


然而有一點需要注意,那就是科幻小說和影視作品中的人類科技都超過了現在的我們,他們的太空城和空間站體積巨大因而能做成輪輻狀,現實中的國際空間站還只是節節拼裝起來的,我們雖然有能力建造輪輻狀空間站,但費用太過於昂貴,而且空間站目前的任務就是在失重環境下做實驗,人造重力根本用不上,宇航員們也不會長期生活在空間站內。

用離心力來模擬重力的前提是太空站足夠大,小型空間站如果轉起來的話只會讓裡面的人感覺陣陣噁心,只有旋轉半徑達到上百米的空間站才能較好的模擬地球重力。

人類目前還處於近太空時代,距離大規模開發太空還有幾十年路要走,短時間內需要人造重力的項目看起來只有載人登陸火星這一項,然而不困是馬斯克還是NASA都沒有把自家的火星飛船造成輪輻狀。

輪輻狀空間站不存在的原因就是人類目前不需要它,真正需要它的人類可能在200年後才會出生,那時候會有幾百萬甚至上千萬人長期在太空中生產生活,人造重力會成為他們居住的太空城的標配。



未來很美好,但太空時代的繁榮是我們這一代人體會不到也見不到的


宇宙探索未解之迷


這個挺有意思的,不考慮地球,沒有參照物的情況下,假設,機器在太空啟動了,外圈和中軸都是無重力,然後加速到一定速度,在外圈看,我沒動呀,只是中軸越轉越快了對吧,那離心力是哪裡來的?只是中軸加速,不會產生離心力,不管是地球還是太空,這個對吧。也就是肯定要有第三方進來才行,地球的衛星肯定是有力的存在,要不衛星直接飛了,就不會繞著地球轉了。可是離開地球呢,比如去個火星,或者出個太陽系,不可能隨時有個球跟著給你提供第三方的力呀,搞不懂,文化有限,繞暈了[呲牙]


門市門簾製造


人造重力系統,是未來星際探測的必須實現的技術。人造重力系統技術上基本沒有問題,重要是投入產出比不划算,而且也不需要!

就目前來說,人造重力技術不在理論層面,而在於實踐層面。

人造重力最簡單的方式就是依靠愛因斯坦在1911年提出來的等效原理概念。

按照等效原理,密閉的房子內的人不能分辨自己是站在地面上,還是以9.8m/s²的加速度在宇宙深空飛行。

那麼按照這種思路,我們完全可以讓宇宙飛船的加速度保持在9.8m/s²的加速度飛行。這樣宇航員就會感覺自己站在地面一樣。

不過這種方式有最大的雞肋,那就是加速過程不能持續太長時間。畢竟維持加速運動要源源不斷地消耗燃料,這種方式並不可取。

最靠譜的方式就是利用離心力模擬重力。

其實離心力就是一種虛擬力。是相對於受力物體而言的。

當你坐在一個大圓盤上旋轉的時候,在外部的觀察者看來,你之所以可以保持平衡是由於摩擦力提供了向心力。

但是作為你自己來說,你可以感受到自己受到了摩擦力,但是為什麼自己還可以保持靜止。

於是你就會假設一個與摩擦力大小相等,方向相反的力抵消了摩擦力,這個力在你看來就是離心力。

在空間站上,我們可以依靠旋轉產生的離心力來模擬重力。

不過這就需要極大的動力系統產生旋轉。

不過目前全世界沒有一個國家可以把如此笨重的離心力產生系統發射到外太空上,因為火箭載重太低了。

如果分多次發射部件再組裝,那費用就沒有任何一個國家可以承擔的。而且空間站許多實驗就是要求在微重力環境下進行。

所以目前的國際空間站沒有任何必要做成像科幻片那樣的離心力模擬重力系統。

一是經濟效應不划算,二是本身許多實驗就需要微重力。

但是在以後的星際旅行中,模擬重力系統一定會建造起來的。


科學認識論


空間站為什麼不建成像科幻片裡的圓形,靠離心力模擬重力?

我認為主要阻力是材料。火箭發射的發動機需要耐高溫、耐持久的材料;火箭的外殼需要硬度高、耐摩擦、耐腐蝕、耐高溫等的材料;火箭的搭載系統需要強度高、硬度高、耐高溫等的材料;理論上的電漿發動機也對材料的要求非常高;靠離心力模擬重力,我想對於材料的要求也很高,旋轉的過程中對旋轉軸、艙室強度、空間站的龍骨強度等等都要有很高的要求。

第一次工業革命是對鋼材材料的要求;第二次工業革命是對於電力傳輸與應用材料的要求;第三次工業革命是對網絡載體材料的要求(這次有非議);第四次工業革命我想還是對新型材料的要求,對硬度、耐腐蝕、耐摩擦、強度等等都有很高的要求。

隨著科學技術的積累,我想第四次工業革命材料肯定起到翻天覆地的變化,火箭發動機有了新材料,可以研發更大動力的火箭,搭載更多貨物。運輸成本大大降低,火箭可以重複利用。旋轉式的空間站擁有高強度的材料,才能真正運轉起來。一切的發展基礎都是材料。個人拙見。


木渡頭


因為人類目前的航天發展階段並不需要這樣的人造重力;其次按照目前的航天技術,將一個龐然大物一次性發射上天是不可能的,如果分多次,在經濟上,單個國家也是吃不消的

在科幻電影中,我們經常會看到圓環狀的太空城,城內的居民可以像在地球那樣自由的在環壁上行走。而這背後的科學原理說來並不複雜,就是利用離心力來模擬引力的存在(離心力存在於非慣性系,屬於慣性力),並且在設定圓環的半徑、轉速的前提下,我們就能算出這個力的大小。當然了,對於內部居民而言,他們的感覺與真實的引力環境基本無異。

雖說原理不難,但理論和實踐是兩碼事,至少在建造這一塊,難度非常大。從人類建造國際空間站就可見一斑(從組裝到完全完成用來17年時間),而這樣的圓形空間站,尺寸勢必遠大於國家空間站,且內部裝置也更加複雜。因此人類目前的建造技術還是相當吃勁的,這還沒談運輸過程。

總的來說,隨著人類航天進程的不斷髮展,遲早有一天會達到達建造大型人造重力系統的地步的。

期待您的點評和關注哦!


賽先生科普


簡單說就是成本問題,現在的火箭發射成本還比較高,而通過航天器旋轉的方式模擬重力雖然可行,但是要求航天器得有一定的體積,燃料也得比較充足。

用旋轉的方式獲得向心加速度是現代航天中的一種重要手段,不過不是用在飛船上,而是用在飛行員和宇航員的訓練上,經過長時間的適應,使宇航員能夠適應火箭發射時的加速度,那相當於在一個人身上再壓上5個以上同體重的人。再太空中由於航天器繞著地球運行,內部的人也隨著一塊運行,地球的引力成了繞地球橢圓軌道運行的“向心力”,約等於重力,於是人就失重了,這種情況下只需要給飛船加上一種旋轉運動,內部的宇航員就可以重新體驗到重力了。

用旋轉的方式獲得向心加速度,再同等情況下,旋轉速度越大向心加速度就越大,半徑越大向心加速度就越小,可是半徑如果太小,旋轉太快宇航員受不了,一次你需要較大的航天設備。道理簡單,可惜建設很麻煩。現代航天追求的是高效、廉價,都在搞可重複使用的火箭,可惜目前的火箭技術還是不夠廉價,發射成本依然是很高的,一般的小型火箭發射也得幾百萬美金吧,重型火箭的發射成本都是幾千萬美金,甚至上億美金。最大直徑5米、長100來米的國際空間站都花了近20年,耗資1600億美元。

根本原因還在於現代人類航天發射的動力還不夠,靠著高壓火焰產生的推力,容易出錯,推力也難以很快提升,如果未來具有更高效的推進設備,那建設擁有人工重力場景的航天器就會成為現實。


分享到:


相關文章: