基本介紹
現實情況,研製難點,興衰史,未來發展,國際空間站,參考文獻,
現實情況
人工重力系統是用離心力,而地球是用萬有引力.離心力是由於旋轉產生的,而萬有引力是有質量的物體間普遍存在的吸引力產生的，雖然是力產生方式不同，但其作為力的基本屬性沒有本質區別，所以可以用離心力模擬萬有引力來產生重量. 之所以人工重力系統要用離心力來模擬萬有引力原因有二:
1.雖然有質量的物體間都有萬有引力,但是由萬有引力公式可以看出,普通質量的物體間產生的萬有引力是非常小的,人工條件不可能得到重力那么大的萬有引力,因為找不到質量那么大的物體.
2.向心力公式和萬有引力公式顯示,兩種力都與物體質量成正比,與半徑成反比,力的性質有一定的相似性
研製難點
重力實質上就是慣性力，“人工重力”對超長時間的航天飛行也許是必要的，但一般中短時間的航天飛行不會採用，代價太大而且實用意義不大。 最簡單的方法就是旋轉，一個巨大的輪形結構旋轉時輪周上就會產生一定的“離心力”，也就是類似重力的慣性力。但是這對飛船結構有特殊要求，不一定符合飛船的任務要求。而且這樣的飛船極大，至少在目前是無法實現的。 目前簡單的措施有：為了工作方便在艙內加腳箍帶和扶手、“萬能粘”等，為了視覺區分，人為地染上“天、地”色等。為了保健而穿著局部加壓服、健身機等。但目前效果都有限，飛行數月下來的很長時間內都無法正常站立。 人工失重的實現則比較簡單，在改裝過的飛機上，高速飛拋物線時，就會產生約一分鐘的“失重”，能讓飛行員稍微體會一下失重狀態。
興衰史
幾十年來，科學家一直在構想一種巨型旋轉空間站，能夠產生人造重力。不過，這一夢想一直未能成為現實。由於零重力狀態對太空人的健康產生的不利影響以及未來將要實施的探索火星、小行星等持續時間更長的深空探索任務，打造可產生人造重力的太空飛行器將成為一種必然。此外，隨著商業太空旅行業的快速發展，未來可能出現巨大的充氣式輪形空間站，可產生人造重力，讓遊客享受更為舒適的太空之旅。
零重力影響太空人健康
生活和工作在太空將對太空人的健康造成不利影響。從國際空間站返回地球的太空人雖然笑對記者鏡頭，但卻很難站立。空間站尚且如此，未來的火星之旅將對太空人產生何種影響我們可想而知。火星之旅歷時數月，在忍受數月零重力(或者微重力)的影響後，登上火星表面的太空人連蹣跚都很難做到，更不用說走路了。
美國宇航局生物學家沙爾米拉-布哈塔查爾婭表示：“零重力將對太空人的健康產生一系列影響，例如骨密度下降，肌肉流失和視力下降。”她最近進行的研究顯示，太空飛行甚至會對免疫系統產生不利影響。在太空飛行過程中，太空人很難保持平衡，睡眠被剝奪，心臟血管的運轉趨於緩慢，出現腸胃氣脹。此外，他們還會出現一系列太空病症狀，例如眩暈、沮喪和乏力。布哈塔查爾婭的實驗以及其他科學家在過去50多年進行的實驗顯示，絕大多數症狀都由零重力所致。
人類還沒有進化出適於在太空生存的特徵。科學家一直在進行研究，了解和遏制失重狀態產生的不利影響。最近，歐洲航天局進行了一系列臥床休息研究，了解21名志願者在臥床休息21天后身體受到的影響。很快，美國宇航局和俄羅斯聯邦航天局將合作實施一項為期一年的國際空間站任務，測試一系列對抗失重狀態的最新理論，例如加強鍛鍊和營養。
巨型旋轉輪產生人造重力
如果人類前往火星、木星、土星的衛星或者更遙遠的天體，我們顯然需要尋找更為極端的解決方案。其中一個解決方案就是復活美國宇航局上世紀70年代放棄的計畫，打造擁有自身人造重力的太空飛行器。早期的空間站設計均構想過人造重力(由巨大的旋轉輪產生)。未來，這種空間站將越發普遍。
在1949年發表於《英國行星學會雜誌》的一篇文章中，H.E。羅斯構想了一個“燃料補給站”，用於執行月球探索任務。這一設計由3部分構成，可以形象地比喻為碗、小圓麵包和手臂。“碗”是一面巨大的鏡子，在設計上用於聚集陽光，加熱水以產生蒸汽動力。沒錯，就是打造一座蒸汽動力的空間站。“小圓麵包”這部分的外形更像是一張百吉餅，位於鏡子後面。“手臂”從“小圓麵包”一側伸出，連線對接連線埠。
藉助於太空中的旋轉輪，人造重力或者羅斯的更準確描述“假重力效應”會以這樣一種方式產生：推進器讓“碗”和“小圓麵包”沿著它們的軸旋轉，產生向心力，進而產生重力。在中空輪內的任何人都會感受到與重力類似的效應，就好像被拖向外部的曲殼，實際上是外殼的地板將他們往上推。具體產生多少人造重力取決於旋轉輪的尺寸和旋轉速度，尺寸越大，速度越快，產生的人造重力越大。
在上世紀60年代晚期的“阿波羅”號月球探索計畫末期，美國宇航局委託宇航公司研究未來的空間站。當時，人造重力成為所有空間站設計的一大要素。《太空飛行》雜誌編輯、曾參與空間站設計的前美國宇航局工程師大衛-貝克表示：“這些空間站研究現在看來非常過時。上世紀70年代中期的太空實驗室任務證明建造一座空間站的重點就是進行微重力研究。於是，我們放棄了人造重力這一想法。現在，我們可能有必要重新進行研究。”
鸚鵡螺-X無奈夭折
在倫敦的英國行星學會圖書館，筆者發現了貝克1971年撰寫的有關人造重力項目的報告。其中一份報告提到了麥克唐納-道格拉斯公司的所謂“太空基地”，由一系列圓柱形太空艙構成。這個基地建有一個獨立的人造重力艙段，為太空人提供相當於地球重力一半的人造重力。另一個與之相競爭的設計來自於北美羅克韋爾公司，更加雄心勃勃，採用中央芯設計，4個圓柱形太空艙從中央芯伸出，好似輪輻一樣。每一個太空艙都建有生活區和工作區。與羅斯1949年提出的構想相同，這些太空艙沿著中央軸旋轉，產生人造重力。
這些設計非常巨大，可容納12到50名太空人，每人都有自己的艙室，艙室內桌椅齊備，甚至還有一個醫務室。2011年，美國宇航局、學術界和航天業組成的一支團隊提出一項被稱之為“鸚鵡螺-X”的提議，也被稱之為“多任務太空探索飛行器”。根據他們的提議，鸚鵡螺-X將耗資37億美元，在設計上可容納6人，外形與飛行的空間站類似，裝有大型太陽能電池板以及一系列相互連線的管道。這一設計有別於其他設計的一大差異是，一個巨大的中空輪環繞中央。這個輪與腳踏車的內胎類似，由一系列堅固的環構成，彼此間由軟壁充氣艙段相連。在結構上，這一設計與美國宇航局要求畢格羅宇航公司設計的太空艙類似，後者預計於2015年安裝在國際空間站上。
鸚鵡螺-X的外形與國際空間站類似。參與這一項目的馬克-霍爾德曼表示：“鸚鵡螺-X將在軌道中組裝，利用組裝國際空間站過程中獲取的技能和經驗。”2011年，太空梭計畫的技術套用與評估小組(TAAT)提出了這一設計。這支團隊將目光聚焦近期的太空探索任務，研發新技術或者延長現有技術的壽命。他們計畫製造一個原型，安裝在國際空間站上，用於驗證這一設計，而後製造全尺寸版。霍爾德曼說：“它將成為第一個真正意義上能夠為太空人提供人造重力的太空飛行器。鸚鵡螺-X在設計上同樣能夠為火星飛船的研製打下基礎。這種飛船將搭載9到12名太空人前往火星。”由於探索重點的變化以及缺少資金，這項計畫最終夭折。
更簡單更低廉或為方向
由於預算減少，航天部門可能會走設計更簡單、造價更低廉的路線。如果最終做出這種決定，他們可以借鑑美國宇航局上世紀60年代中期實施的“雙子座”任務。當時，太空人用繩索將太空艙與無人對接艙連線在一起，允許兩個組件彼此環繞對方旋轉。為了理解這種做法遵循的理論，你不妨想像一下用繩索在裝滿水的水桶內攪動，繩索的末端會在水桶內產生向心力。
對於預算緊張的航天機構來說，他們還有一個費用更低的選擇。麻省理工學院的研究人員利用一台小型離心機進行了一系列實驗，讓桌子或者椅子旋轉。他們的想法是讓國際空間站上的類似物品旋轉，讓太空人綁在上面旋轉，模擬重力。雖然這種裝置會讓人產生運動病——尤其是在移動頭部的時候——但實驗結果顯示，採用這種裝置能夠抵消失重狀態產生的一系列不利影響。
貝克認為可能存在另一種建造首艘人造重力太空飛行器的方式。他說：“毫無疑問，一座建在太空的酒店需要產生人造重力。鑒於多達50%的太空人曾患上太空病，如果在地球軌道建酒店，人造重力將是必不可少的一個要素。”隨著商業太空旅行業的快速發展，這一想法並不像10年前那樣遙不可及。由酒店業大亨羅伯特-畢格羅創建的畢格羅宇航公司與美國宇航局合作，負責為其提供首個充氣式太空站太空艙。畢格羅希望將他的房地產帝國的觸角延伸到軌道。也許在未來的某一天，我們便會看到地球軌道中出現巨大的充氣式輪形空間站。不過，這種空間站是為腰包豐腴的太空遊客準備的，而不是前往火星的探險家。
未來發展
許多近現代著名物理學家，如愛因斯坦、海森堡、泡利（Pauli）等，都在晚年致力於統一理論的研究，但是沒有取得成功。現在已經知道，自然界中總共四種相互作用力，除萬有引力之外的三種都可由量子理論來描述，電磁、弱和強相互作用力的形成是用假設相互交換量子來解釋的。
但是，引力的形成完全是另一回事，愛因斯坦的廣義相對論是用物質影響空間的幾何性質來解釋引力的。在這一圖像中，瀰漫在空間中的物質使空間彎曲了，而彎曲的空間決定粒子的運動。人們也在嘗試用模仿解釋電磁力的方法來解釋引力，這時物質交換的量子稱為引力子，但這一嘗試卻遇到了理論上的很多困難。
上個世紀後半葉以來，不少科學家提出了各種大統一理論，希望將四種力用一種理論進行統一，但都遇到這樣那樣的困難，其中只有弱力和電磁力的統一（稱之為電弱力）較為滿意。用規範理論統一四種基本相互作用是一種誘人的因素，但是在前進的道路上也有可能遭到失敗。也許人們還會尋找新的途徑去統一各種基本的相互作用。通過一系列探索、失敗、成功，再探索、再失敗、再成功，不斷發現矛盾，解決矛盾，每一次循環都在加深著人類對自然界的認知。
如果某天能將四種基本力成功統一了，人類就有可能使用電力直接製造人工重力，就像科幻電影中那樣！
在未來的宇宙探索中，人工重力系統是必須的，人在失重狀態下有很多害處，在未來動輒幾年甚至幾十年的太空探索中是不可能讓人一直處在失重狀態下的，所以人工重力系統的產生勢在必行！
當前大多數科幻片中演繹的人工重力模式暫時沒有什麼理論基礎，現在及近未來的時間裡只有一種實現方法，就是依靠旋轉的向心力來替代重力，像1968年的科幻電影《2001太空漫遊》的巨大輪盤形太空站所展現的人工重力方式。那種不靠向心力的人工重力暫時還沒辦法實現，因為人類對引力的認知還很有限。
國際空間站
國際空間站不會採用旋轉方法創造人工重力，原因是：
(1)建造國際空間站的主要目的是維持科學和技術研究所需的失重環境，不需要它旋轉；
(2)達到上述目的需要有特殊的旋轉接合裝置和密封裝置，這是非常複雜、繁重和高費用的。
(3)旋轉部位必須設計更加堅固，使得它的重量增加；
(4) 帶有旋轉部件的空間站對物體的不平衡是十分敏感的：它會像一個不平衡的輪胎開始搖晃起來，為了防止它的搖晃，必須增加附加的載荷；非旋轉部位的搖擺影響了空間站上的研究。
(5)在國際空間站這樣短半徑里產生的人工重力對人的內耳的運動/方位感覺器官是一種不舒服的刺激，例如它產生的科里奧利力和加速度可以刺激人的內耳。但是，在國際空間站的一個艙(CAM)里，有一個2.5米臂長的離心機，可以對這些問題進行研究，研究在物理、化學和生物過程的不同階段重力所起的作用。
參考文獻
張立藩, 《人工重力的生物醫學問題：以往工作回顧與面臨的挑戰》, 2001年2月, Vol.14, No.1.
