探索未來空間站雛形：巨型旋轉(zhuǎn)環(huán)造重力場

據(jù)國外媒體報道，科學家認為太空生活會對人類身體機能產(chǎn)生不利影響，雖然返回地球的宇航員竭盡全力對著攝像機微笑，但是他們一般都不能自主站立起來。可以想象一下，未來前往火星的宇航員將會受到何種挑戰(zhàn)。前往火星之旅需要數(shù)個月時間，在此期間宇航員需要經(jīng)受住空間飛行對身體機能產(chǎn)生的影響，當他們降落火星表面時也將面臨無法正常行走的風險。

宇宙飛船與人造重力場空間站對接的情景

對此，美國宇航局生物學家沙美娜?巴塔查亞認為空間飛行將對宇航員產(chǎn)生各種各樣的影響，比如骨密度的降低、肌肉萎縮和視力下降等，最新的實驗表明行星際以上級別的空間飛行甚至會威脅人體免疫系統(tǒng)。在宇宙空間飛行途中，宇航員很難維持良好的生理機能平衡，睡眠時間減少，心臟血管的血液供應量放緩，更不用說腸胃脹氣等問題了。除了這些問題外，宇航員還將面對眩暈、困乏無力等空間飛行病癥。巴塔查亞的最新實驗和過去半個世紀科學家們進行研究顯示，空間疾病的誘導因素歸咎于太空的零重力環(huán)境。

由此看來，人類還沒進化出可以適應空間飛行的機體，科學家們也正在弄清楚失重會導致哪些不良病癥。例如，歐洲空間局進行了一項研究，對志愿者進行21天一系列的臥床休息實驗，與此同時，美國宇航局和俄羅斯空間機構(gòu)也開展合作，在國際空間站上測試宇航員失重導致生理機能下降的理論，探索如何改變運動和營養(yǎng)來降低空間疾病。然而，如果人類前往火星、木星、土星或者其他天體衛(wèi)星群，我們就應該找到解決空間疾病的途徑，其中一個方案就是美國宇航局在1970年代放棄的打造“人造重力環(huán)”計劃。

在早期空間站的設計方案中，科學家提出了建造一個巨型旋轉(zhuǎn)輪來制造重力場，這個標準可能是未來空間站的雛形。早在1949年，H?E羅斯在《英國星際學會》期刊上發(fā)表了一篇文章，設想了一種“軌道加油站”，其由三個部分組成：酷似“補給碗、面包和手臂。”補給碗則是一個巨大的反射鏡面，可以聚焦太陽光并產(chǎn)生熱量，這就是一座以太陽能發(fā)電的“蒸汽動力”空間站。“面包”結(jié)構(gòu)位于主反射鏡的后面，“手臂”裝置探入“面包”結(jié)構(gòu)，鏈接到一個對接口。

任何一種在太空中旋轉(zhuǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)都具有產(chǎn)生模擬重力環(huán)境的能力，研究人員羅斯將其命名為“偽重力效應”，通過太陽能聚焦產(chǎn)生的蒸汽動力帶動“補給碗”和“面包”圍繞著中央軸線旋轉(zhuǎn)，這樣就可以產(chǎn)生向心力，模擬出重力環(huán)境。如果我們處于旋轉(zhuǎn)輪的內(nèi)側(cè)，就可以察覺到與重力類似的效果。我們可以通過設定旋轉(zhuǎn)輪的大小和旋轉(zhuǎn)速度來模擬出所需要的重力場值。眾所周知，當旋轉(zhuǎn)輪更大、旋轉(zhuǎn)速度更快時，產(chǎn)生的重力效果就越加明顯。在2001年的一部電影中，宇航員在環(huán)形飛船中慢跑，這個就是人造重力場的情景。

20世紀60年代末期，美國宇航局執(zhí)行阿波羅登月計劃即將結(jié)束，隨機開展了未來空間站的設計工作，而如何模擬出人造重力場是當時空間站設計考慮的重要因素。根據(jù)《太空飛行》雜志的編輯、美國宇航局前空間站設計工程師大衛(wèi)?貝克介紹：“就現(xiàn)在而言，這些空間站的設計顯得完全過時了，在20世紀70年代中期，一系列的實驗證明建造空間站的需要開展對微重力環(huán)境的研究，因此科學家們放棄了人造重力場的研究，但是現(xiàn)在這個理念可能值得重新考慮。”

在1971年，大衛(wèi)?貝克發(fā)表了關(guān)于人造重力場的項目報告，這篇文章還可以在英國星際學會圖書館找到。報告中提到麥道公司研究了一種全新概念的“太空基地”，這是由一系列圓柱形模塊組件的空間站。整個軌道構(gòu)筑物內(nèi)設置了單獨的人工重力場艙室，可以為空間站內(nèi)的宇航員提供大約是地球重力一半的重力場。而另一個參與競爭的設計師北美洛克威爾公司研制的人造重力空間站，其構(gòu)造是由四個圓柱形軌道艙組件而成，每個模塊都包括了生活區(qū)和工作區(qū)，這些計劃都與羅斯在1949年提出的空間站概念相似，都有圍繞中央軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生人造重力。

人造重力場空間站的體積也較大，可以容納大約12至50名宇航員，擁有單獨的個人艙室，配備了桌子和舒適的椅子，甚至還有醫(yī)務室。事實上，這些空間站設計與“鸚鵡螺-X”計劃相似，這是一種多任務的空間探索飛行器，該計劃是由美國宇航局在2011年提出的，參與設計方還有學術(shù)界、航天工業(yè)的研究人員。“鸚鵡螺-X”計劃設計載人為6名宇航員，外形與空間站類似，配備了大型太陽能電池板和一系列相互連接的節(jié)點艙。其主要特征是擁有一個更大的空心旋轉(zhuǎn)輪，外形上酷似自行車的內(nèi)胎，是由一系列連接環(huán)與充氣式的太空船組合而成。

這一設計理念被稱為“充氣式空間站”，目前畢格羅宇航公司正在設計研制這樣的空間站，預計2015年可以安裝到國際空間站上進行測試。“鸚鵡螺-X”空間站采用了與國際空間站類似的建造概念，設計團隊的科學家馬克?霍爾德曼認為該空間站在軌道上進行組裝，使用了國際空間站的組裝技術(shù)標準和經(jīng)驗。在2011年，由航天飛機計劃的技術(shù)應用與評估小組提出未來空間站的研制計劃，短期內(nèi)可以為空間站延長任務提供技術(shù)支持，并開發(fā)新技術(shù)。

研究小組計劃建造一個原型艙段，將其安裝到國際空間站上進行驗證測試。馬克?霍爾德曼認為這將會是第一個真正具備人造重力的空間站，而“鸚鵡螺-X”的設計可以為將來建造火星飛船提供支持，其基本運載能力為9至12名宇航員。不幸的是，由于空間機構(gòu)缺少資金，該項目被取消。鑒于預算的不斷減少，可能趨向于研制結(jié)構(gòu)簡單、造價更低的空間站，如果是這樣的話，工程師們可以參考美國宇航局在20世紀60年代中期執(zhí)行“雙子星”任務，宇航員通過繩索將軌道艙和無人對接模塊連接，使得兩個模塊可以相互圍繞對方旋轉(zhuǎn)，該方法也可以產(chǎn)生向心力。

對于一些經(jīng)費較為緊張的空間機構(gòu)而言，可能還有一個更加廉價的設計概念，比如麻省理工學院設計了基于空間站內(nèi)環(huán)境的人造重力模型，使用一系列的小型離心機將軌道艙內(nèi)的桌子和椅子旋轉(zhuǎn)起來，而宇航員則束縛在這個小系統(tǒng)內(nèi)，這樣也可以產(chǎn)生類似重力的效果。但是這個設計也存在問題，雖然制造出類似重力的環(huán)境，但也會給宇航員產(chǎn)生暈車的感覺，實驗表明，該設計可以降低一些不利的空間飛行影響。

但是這種方法與巨大的旋轉(zhuǎn)式空間站設計相去甚遠，在2001《太空奧德賽》中，巨大的旋轉(zhuǎn)輪顯得非常優(yōu)雅，貝克認為可能存在另一個方式來制造首個擁有重力環(huán)境的宇宙飛船。如果我們在太空中打造“軌道酒店”，那么肯定需要人造重力場，由于50%的宇航員患上空間疾病，如果我們要在近地空間建造旅館，重力場是不可或缺的。

在商業(yè)太空旅行爆炸式發(fā)展的今天，這種想法并非無法實現(xiàn)，事實上，美國宇航局與酒店大亨羅伯特?畢格羅合作研發(fā)的第一個充氣式軌道空間站就是該想法的具體實現(xiàn)，畢格羅希望將他的酒店業(yè)帝國擴展軌道業(yè)務。也許有一天，巨型車輪狀的充氣式空間站會終結(jié)這一爭論，里面居住的是百萬富翁而不是火星探險者。