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(xué)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(dāng)他們降落火星表面時也將面臨無法正常行走的風(fēng)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(xué)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?xí){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(yīng)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(xué)家們進行研究顯示，空間疾病的誘導(dǎo)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(yīng)空間飛行的機體，科學(xué)家們也正在弄清楚失重會導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(shè)計方案中，科學(xué)家提出了建造一個巨型旋轉(zhuǎn)輪來制造重力場，這個標(biāo)準(zhǔn)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(xué)會》期刊上發(fā)表了一篇文章，設(shè)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(yīng)”，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(shè)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(dāng)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(shè)計工作，而如何模擬出人造重力場是當(dāng)時空間站設(shè)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(shè)計工程師大衛(wèi)?貝克介紹：“就現(xiàn)在而言，這些空間站的設(shè)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(xué)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(xué)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(shè)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(shè)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(wù)室。事實上，這些空間站設(shè)計與“鸚鵡螺-X”計劃相似，這是一種多任務(wù)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(shè)計方還有學(xué)術(shù)界、航天工業(yè)的研究人員。“鸚鵡螺-X”計劃設(shè)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(shè)計理念被稱為“充氣式空間站”，目前畢格羅宇航公司正在設(shè)計研制這樣的空間站，預(yù)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(shè)計團隊的科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗。在2011年，由航天飛機計劃的技術(shù)應(yīng)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(wù)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(shè)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(yù)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(wù)，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(shè)計概念，比如麻省理工學(xué)院設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(wù)。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。