人工重力＋1s——對部分讀者問題的回答

主頁菌說

人工重力果然是一個熱門的話題，上一篇《人工重力——從科幻到現實》大家反響很多，留言里也提到了不少有建設性的問題，所以作者特意又撰寫了一篇文章，解釋了一些其中的關鍵問題，希望能為大家拋磚引玉。感謝如此負責的作者，以後我們有類似條件的時候也會專門進行答疑推送的，敬請期待。

本文作者：SaturnV，已經為其開啟獨立打賞賬戶

在上一篇講述人工重力的科幻和現實文章下很多讀者寫下了很有意思的評論和提問，也讓我想起了很多沒能在文中詳細說明的細節和有趣的事情。首先有人問為啥沒有提到日本著名科幻動漫「高達0079」里的Side太空殖民地，其實是因為Side的圓柱型殖民地設計和「無垠太空」的「巨獸號」重複了。準確來講二者都叫歐尼爾圓柱設計（如圖所示），最早出自美國物理/天文學家傑瑞德?K?歐尼爾在1976年出版的書「人類太空殖民地」（The High Frontier: Human Colonies in Space）。歐尼爾是太空殖民的倡導者，書中詳細介紹了人工重力殖民地的3種不同設計，以及如何通過開採月球和小行星資源來建設殖民地等等細節。

高達0079里的太空殖民地除了更巨大外，和「巨獸號」最明顯的區別便是一半的圓柱體是由鋼化玻璃組成，天然陽光可直射進殖民地。出於旋轉式人工重力可行性的分析，如果半徑450米的「巨獸號」都可行，那半徑足足有3.2千米的Side殖民地自然也沒問題。當然對於高達中展示的這種超巨星人工空間站，更應考慮的是建造所需的資源，維持旋轉需消耗的能量以及在太空中的安全性等問題，不過這就是另一個話題了。

模仿不完整重力的跑步機

說到旋轉式人工重力，文中忘提了一個誤區。人工重力指的是以人工的方式產生類似於星體引力的力，正如不同質量星體引力不同，並不只是1G的重力才叫做人工重力。火星救援的「赫耳墨斯」號內部是0.4G，穀神星空間站內部是0.3G，電影里因拍攝難度原因沒有以0.4G展示。之所以不需要1G，是因為人工重力的本質在於避免長時間失重狀態對人體強度造成的負面影響，也就是說只要有其他的「力」能讓人體保持一定強度，便可阻止或者說延緩負面影響。舉例而言國際空間站上的宇航員為了保持肌肉和骨骼強度，每天要在特殊製造的健身機械上運動，當然這裡稱呼每24小時更合適，畢竟國際空間站上宇航員大約90分鐘就要看一次日出日落。

COLBERT

插一個題外話，國際空間站上的跑步機有一個特別搞笑的名字叫COLBERT。為啥選這麼一個蹩腳的名字，原因在於2009年初國際空間站Node 3發射，NASA網路徵集為模組起名。美國脫口秀「扣扣熊報告」的主持人斯蒂芬?科拜爾（Stephen Colbert，常被親切稱為扣扣熊）讓自己的觀眾都去投票以自己的姓Colbert來命名Node 3，結果Colbert還真成了得票第一，且還是第二位「寧靜」（Tranquility）的數倍。顯然NASA不能真的用Colbert來命名，但也不能直接否認投票結果，騎虎難下的NASA想起來還有計劃同Node 3一起送上天的跑步機，於是絞盡腦汁給起名Combined Operational Load Bearing External Resistance Treadmill，首字母簡寫正好是COLBERT。NASA甚至還派當時美國女性太空停留記錄保持者蘇妮塔?威廉斯去「扣扣熊報告」上宣布決定，以「安撫」 科拜爾本人，COLBERT跑步機也成為迄今為止NASA唯二以活人命名的太空設備。

這個真的是NASA的官方任務徽章。。。。。。

我猜一定有讀者會問另一位是誰——尤金·帕克（Eugene Parker，左二，現年91歲）原定今天發射帕克太陽探測器就是以他命名的

這還沒完，NASA在安裝跑步機的STS-128第6天飛行報告上聲稱，科拜爾的好基友，脫口秀節目「每日秀」的前主持人喬恩?斯圖爾特（Jon Stewart，常被親切稱為囧司徒）也要求NASA提供同樣命名待遇。但當得知可以命名的是Space Toilet Environmental Waste Accumulator/Recycling Thingy(STEWART)後，斯圖爾特斷然拒絕。。。。。。其實從COLBERT的Load Bearing（承壓）便能看出，該跑步機的本質在於通過施加壓力下的運動使宇航員肌肉骨骼能保持強度，人工重力的本質亦是如此，並不需無時無刻都保持重力。

這也真的是NASA官方的當日任務報告。。。。。。

還有評論說人類在旋轉式重力下會頭暈嘔吐，原因之一是重力梯度，但這其實並不完全正確。重力梯度簡而言之便是頭和腳感受到的重力不一樣，導致身體血液流通紊亂。但是實際上根據萬有引力定律，站在地球上的人由於頭距離地球質心較遠，頭和腳所受的引力也不一樣。之所以日常生活中沒有感覺，是因為地球半徑太大導致人身高所產生的引力差可忽略不計，也就是說重力梯度並不會造成頭暈，過於陡的重力梯度才會造成頭暈。

那麼人所能承受的重力梯度能有多陡呢？具體數值科學界仍有爭議，但基本認為10%左右是分水嶺，及如果頭感受到1G，腳感受到超過1.1G便會引發一系列的負面癥狀。由於頭和腳的旋轉角速度是一樣的，以身高1.8米計算，根據向心加速度公式，可得出：

由第二式除以第一式可得：

解得出R=18，也就是只要旋轉半徑超過18米，再快的旋轉角速度都不會造成過陡的重力梯度引發不適，顯然這不是限制旋轉式人工重力的關鍵。關鍵的原因是科氏力，因為科氏力Fc和角速度Ω成正比，因而不管旋轉半徑多長的人工重力設施都要考慮科氏力的影響。

關於「無垠太空」中穀神星空間站的問題，其實該劇改編自的小說中有更詳細描述。現實中穀神星是有自身引力的，事實上穀神星是小行星帶中唯一一個依靠自身引力保持球狀的星體，只是引力非常小只有大約0.029G。穀神星也有大約545地球分鐘的自轉周期，及自轉角速度0.00183RPM。穀神星空間站其實只是加速了穀神星的自轉以產生類似火星0.378G的0.3G，而根據穀神星半徑472千米計算，改造後的穀神星空間站自轉角速度約為0.02RPM，也就是說人為改造只是加速了一個數量級，並非完全不可接受。

看劇呢，還是仔細一些比較好，這個細節估計大部分觀眾都沒注意到過

實際穀神星的推測內部結構

穀神星在「無垠太空」的宇宙中被改造成人工星體空間站的根本原因是這顆白矮星上的資源。穀神星的地表岩層下有化成水後足以填滿整個印度洋的冰層，岩狀地核中更含有鈦，鉑等貴金屬。以開採業為核心，穀神星空間站逐漸成為了小行星帶重要的貿易樞紐，進而擴建成常駐人口達6百萬的太空殖民設施。

其實剛看到上圖的時候很多人都以為穀神星空間站是這麼轉的，其實穀神星空間站是如下圖所示這麼轉的。

穀神星空間站的自轉軸選擇同樣是有原因的，採礦業要面臨的一大問題便是如何高效地把貨物送出穀神星，而上述設計則可最大限度利用旋轉產生的角動量。如果一個物體要離開一個星體，必須要達到該星體的逃逸速度，逃逸速度和行星的質量成正比。舉例而言質量大的地球逃逸速度為11.2千米/秒，質量小的穀神星只需514米/秒，同時由於逃逸速度和行星自轉速度無關，人工加速自轉並不會改變逃逸速度。而按照穀神星空間站0.02RPM的旋轉速度計算，在星體表面的線性速度為0.0021弧度/秒乘以半徑472千米，等於991.2米/秒。這意味著從穀神星空間站發射飛船進入太空，只需要把飛船從地表扔出去，自帶的線性速度就已經遠超逃逸速度，直接就進入了環太陽軌道。同理停靠穀神星空間站的飛船也不需要減速，由於到達速度遠高於逃逸速度，飛船隻需調整成一樣的線性速度，便能在相對靜止下進港。加速的自轉不僅為空間站內部提供了重力，更大幅度方便了穀神星的貨物運輸。

穀神星空間站港口，相對靜止後機械臂抓住飛船即可拉入港內，離港時只要鬆開機械臂，飛船便會直接被「甩」入太空。

關於穀神星空間站是否會因為加速自轉把自身撕裂這個問題，如果只是單純地的把穀神星自轉加速，向心加速度超過了0.029G的確會把自身的質量「甩」出去，但可以人工解決。星體質量被自轉「甩」出去的根本原因在於無法承受旋轉時產生的拉力，就像玩投石索的時候旋轉過快會把繩子拉斷一樣，超過了材料的極限拉伸強度。穀神星若維持0.3G的旋轉，內部質量需要承受約300MPa（兆帕）的壓力，已遠超天然岩石承受極限。不過現階段人類的材料技術就能解決，美國最常用的A36鋼極限拉伸強度便已有400-550MPa，碳納米管等新興材料理論上甚至可達到此數值的數十乃至數百倍。對於「無垠太空」中已經批量生產宇宙飛船的人類來說，解決穀神星空間站結構強度簡直小菜一碟。

「月亮上的女人」上映海報

最後是關於文章末尾提到的無聲電影「月亮上的女人」（Frau im Mond），導演弗里茨?朗（Fritz Lang）其實是和自己的妻子，天才編劇特婭?馮?哈堡（Thea von Harbou）一起合拍的，事實上電影中幾乎所有科幻設計都是出自哈堡之手。這部電影就有點像1920年代的「無垠太空」，除了把月球描繪成了有大氣層外，其餘科學技術的精準程度已到了嘆為觀止的地步。垂直整合，多級運載火箭，移動發射車，發射時降噪降溫用水幕，平躺式座艙座椅等應有盡有。

這真的不是阿麗亞娜5號火箭

Friede（德語「和平」）火箭內部構造

「月亮上的女人」在當時德國科學和工程界影響之大，甚至促成了火箭愛好者俱樂部「Verein für Raumschiffahrt」的誕生。雖說德語的直譯是「太空旅行俱樂部」，但該俱樂部成員都致力於火箭科技的研發，甚至得到了當時德國陸軍部的研發資金支持，也因此日後誕生了許多現代火箭技術先驅，在學生時代就加入的馮布勞恩便是其中之一。在第一次試射V-2時，馮布勞恩更直接在引擎噴口外畫上了的Frau in Mond標識。看來不管從任何意義上講，女性才是太空技術發展最關鍵的「隱藏人物」。

好啦這就是我對一部分讀者評論的回答，至於哪種人工重力更有發展潛力，那就智者見智仁者見仁了。在1954年去世的特婭?馮?哈堡沒能等到15年後的阿波羅11號，無垠太空第一季在2015年上映，不知道各位讀者們認為在41年後的2056年，人類殖民太陽系的夢想能否實現呢？

（全文完）

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