帶著重力上太空

?

文/趙洋

眾所周知，盡管航天員可以把空氣、食物、水和書籍等物帶到太空中去，盡可能地模擬舒適的地球環(huán)境，但有一樣東西是無法被帶入太空的，那就是重力。人一出生就在地表感受到9.8m/s2,即1g的重力加速度，并深受其影響。人的骨骼、肌肉、空間感覺系統(tǒng)都是為適應這種重力環(huán)境的。一旦脫離重力，一切都會紊亂。

失重的不良影響

航天員在長期的太空飛行中，會產(chǎn)生一系列與衰老相似的生理變化：骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、?心血管系統(tǒng)失調(diào)、站立耐受時間下降、貧血、細胞免疫系統(tǒng)受到抑制等。以骨質(zhì)疏松為例，人的骨密度在35歲左右達到最大值，之后以大約每年0.5%的速度下降。但航天員在軌飛行時，平均每個月就將丟失1%~2%的骨量，相當于平時二到四年的量。骨量的丟失主要發(fā)生在腰椎、骨盤等承重骨上。按照這種丟失速度，兩年半的載人火星飛行，預計航天員將丟失20%~30%的骨量，其丟失程度與80歲的老人相當。踏上火星紅色土地之時，就是航天員手腳癱軟、發(fā)生骨折之日。

失重帶來的另一個令人擔心的生理變化，便是心臟功能的改變。在失重環(huán)境影響下，體液向上半身轉(zhuǎn)移，血液充盈在胸腔、頸部和頭部。這種體液轉(zhuǎn)移，迫使心臟擴大，以控制增多的血流量。生理系統(tǒng)對幾乎零重力的反應，通常還包括激素血液水平的改變（損害免疫系統(tǒng)）和人體接受藥療能力的減弱。

在失重環(huán)境中，你會有完全不同于置身地面的感覺。由于缺乏重力，航天員最先感覺到的就是身體飄浮，有一種無休止的“下落感”。人身上所有與重力有關(guān)的感受器都發(fā)生了變化，四肢感覺不到重量，人體感覺不到頭部的活動。這種異常的感覺使航天員產(chǎn)生定向錯覺，比如用手推拉艙壁時，航天員感覺不到是自己在前后運動，而會認為是航天器在前后運動，自己則是靜止不動的。

長時間進行太空飛行返回地面后，航天員一般需要幾個星期的時間才能恢復到飛行前的健康水平。至于航天員在失重環(huán)境滯留時間加長是否會導致體能下降的時間也延長，從而影響飛行作或?qū)ι眢w帶來永久性傷害——根據(jù)多國太空生理學家提供的答案來看，都可以歸結(jié)為一句話：“不知道。”也就是說，對于時間更長的失重是否會引起心血管、肌肉、骨骼系統(tǒng)不可逆的改變這個問題，科學家還沒有確切的答案。

俄羅斯對“和平”號空間站航天員的研究表明，每天2~4小時的跑步機運動也難使骨密度保持正常。在失重飛行中進行體育鍛煉，雖然對保持航天員有氧能力與肌肉質(zhì)量、功能有一定效果，但對預防飛行后立位耐力不良卻沒有明顯作用。而體育鍛煉一定程度上還會過多地耗去航天器內(nèi)費用高昂的生命支持物資，占用航天員的工作與休息時間，因此并不適用于長期太空飛行。

失重不僅威脅航天員的健康，還會造成“環(huán)境污染”。航天器中各種細小的顆粒會一直飄浮著，對艙內(nèi)氣體造成污染。航天員必須使用類似吸塵器的裝置，及時清理這些細小的懸浮顆粒，以免危及航天員的健康或影響設備的運行。如果能夠通過技術(shù)手段在太空制造出人工重力，就可以徹底解決上述問題。有了人工重力，那些細小顆粒就能自動落到“地面”，航天員不必花時間去清理。此外，吃飯、喝水、如廁、睡覺等方面的不便，也可以迎刃而解。

旋轉(zhuǎn)模擬重力

只要是牛頓力學范疇內(nèi)的航天技術(shù)，都繞不過齊奧爾科夫斯基他老人家。之前沒有人像齊奧爾科夫斯基那樣，在技術(shù)實現(xiàn)宇宙航天之前，提出宇宙航行的大量技術(shù)途徑。通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來模擬重力，也是最早由他提出的。早在1883年，這位航天先驅(qū)就在手稿《自由太空》中探討了使航天器旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生人工重力的可能性。

在航天器內(nèi)制造人工重力的途徑有兩種：一是由整個航天器不斷旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生“全時人工重力”，或稱“連續(xù)性人工重力”；二是由短臂離心機定時旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生“間斷性人工重力”。

1928年，奧地利作家赫爾曼·諾丁提出了人工重力空間站的詳細設計。這個名為“生命之輪”的空間站外觀呈輪形，輪軸的一端是發(fā)電站和天文臺，另一端是巨型凹面鏡，可匯聚陽光產(chǎn)生動力，驅(qū)動居住艙所在的輪形結(jié)構(gòu)。

專業(yè)人士提出人工重力的設想是在1953年。當時在美國未受重用的德國火箭專家馮·布勞恩在《科里爾周刊》上發(fā)表文章，對未來的太空事業(yè)進行科學幻想。他提出，火星遠征船隊的出發(fā)地是一個位于地球上方1730千米處的旋轉(zhuǎn)空間站。這個直徑76米的空間站有三層甲板，以增強尼龍纖維制成（如果放在21世紀，就應該是碳纖維），外面覆蓋金屬板。每分鐘旋轉(zhuǎn)三圈，可為內(nèi)部人員提供0.3g的人造重力。

進入60年代，登月競賽的壓力使美蘇兩國開始研究一些看似天馬行空的技術(shù)。“系繩航天器”就是其中之一。系繩可以作為固定空間站位置的一種手段，在系繩兩端繞轉(zhuǎn)的飛行器內(nèi)也可產(chǎn)生一定人工重力。1966年，美國的“雙子星座”11號飛船進行了系繩試驗。航天員把36米長的繩子連在“阿金納”火箭的外殼和他乘坐的飛船之間。然后二者以每分鐘0.15圈的速度相互繞轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑19米。此時，飛船內(nèi)的乘員受到0.0005g的人工重力，當航天員把手中相機松開，相機會沿著平行于系繩的方向直線運動到座艙后部。雖然感受不到如此微弱的重力對生理的影響，航天員仍報告說這是“一次有趣而莫名其妙的體驗”。

與此同時，蘇聯(lián)也在策劃類似的試驗。馮·布勞恩的競爭對手科羅廖夫計劃在飛船和最后一級助推火箭之間連一條系繩，然后讓二者旋轉(zhuǎn)起來，為航天員提供人工重力。蘇聯(lián)計劃一次飛行二十天，蓋過美國人的風頭，但科羅廖夫的早逝使該計劃未能實現(xiàn)。迄今為止，“雙子星座”11號任務是唯一一次太空載人人工重力試驗。

上述設想和試驗在科幻史詩片《2001：太空漫游》中得到充分展示。影片中的近地空間站是車輪形的，“發(fā)現(xiàn)”號飛船內(nèi)有直徑11米的離心機，它們都通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力。弗洛伊德博士在近地軌道停留的一號空間站“直徑三百碼的圓盤緩緩地轉(zhuǎn)動著，太陽照在光亮的金屬表面上，閃閃生輝”?。該空間站每分鐘轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生的離心力大小相當于月球的重力。航天員弗蘭克·普爾在“發(fā)現(xiàn)”號內(nèi)慢跑的場景也成為科幻影史的經(jīng)典鏡頭，庫布里克花了75萬美元建造了這個1:1的模型，以至于他后來開玩笑說：“也許可以通過在離心機里發(fā)展旅游來收回一些成本。”根據(jù)設定，飛船內(nèi)的離心機可以在必要的時候停止旋轉(zhuǎn)，這時，角動量要儲存在飛船的飛輪內(nèi)，以便再次啟動。

阿瑟·克拉克對人工重力的喜愛也可謂情有獨鐘。在1972年出版的《與拉瑪相會》一書中，克拉克構(gòu)想了直徑16千米、長50千米的圓柱形星際探測飛船。當拉瑪飛船以每分鐘0.25圈的速度旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)表面可以產(chǎn)生接近地球表面的人工重力。用克拉克的話說，“一顆小行星的正常‘白天’一般為幾個小時，而‘拉瑪’卻僅為四分鐘。在這小小星體的‘赤道’上，自轉(zhuǎn)速度竟達每小時1000千米以上。”實際上，圓筒形人工重力航天器并非克拉克首創(chuàng)，早在1956年，達雷爾·羅米克就提出了能容納兩萬人居住的直徑300米、長1000米的軌道空間站設想。

對人工重力建筑的最恢弘設想，也許非拉里·尼文的《環(huán)形世界》（1970）莫屬。智慧文明在相當于太陽到地球距離的地方，建立了一個與地球軌道直徑大小相等的人工環(huán)。在這個人工建筑上，內(nèi)部可居住區(qū)長六億英里、寬一百萬英里。它以每秒1200千米的速度圍繞一顆黃矮星轉(zhuǎn)動，以產(chǎn)生人工重力，這相當于地球公轉(zhuǎn)速度的40倍，結(jié)果就是一年只有九天。數(shù)百萬人口擠在厚度五十英尺的建筑物里。遺憾的是，有熱心讀者計算發(fā)現(xiàn)，這條人工環(huán)不可能永久存在。原因很簡單，看看土星環(huán)就知道了，引力會將固體環(huán)撕裂。而且巨環(huán)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，任何微小的擾動，比如一顆流星的撞擊，都會使整個環(huán)形世界飄向中央恒星。拉里·尼文也算從諫如流，在1979年出版的《環(huán)形世界的魔術(shù)師》一書中，為環(huán)形世界的不穩(wěn)定性做出了解釋。

人能適應旋轉(zhuǎn)環(huán)境嗎

雖然旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力是一個簡單可行的辦法，但人長期生活在這種旋轉(zhuǎn)的環(huán)境下，是否可以適應？人的感覺系統(tǒng)是否能承受？在建造人工重力的太空站之前，首先要回答上述問題。如果人不能適應旋轉(zhuǎn)環(huán)境，就不必花費巨額資金去建造擁有人工重力的旋轉(zhuǎn)航天器了。

20世紀60年代，美國航天醫(yī)學家在地面上利用慢速旋轉(zhuǎn)室，開展了人在旋轉(zhuǎn)環(huán)境停留的試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當加速度小于等于每分鐘3轉(zhuǎn)的時候，對人的身體健康和工作能力沒有影響，當角速度達到每分鐘3~6轉(zhuǎn)的時候，經(jīng)過6~8天，人就能適應，后續(xù)的停留不會影響身體健康和工作能力。但是當角速度超過每分鐘6轉(zhuǎn)時，受試人員就會出現(xiàn)平衡障礙。?“科里奧利力”也是旋轉(zhuǎn)航天器內(nèi)不容忽視的現(xiàn)象。想象你和朋友坐在旋轉(zhuǎn)木馬上，把球拋給對方。這樣在地面靜止環(huán)境下的簡單運動，在旋轉(zhuǎn)環(huán)境中會變得古怪。當你投球時，球并不是像平常那樣沿著直線前進，而是出現(xiàn)了偏離。投球時，你會感到胳膊好像被一種奇怪的力拉向一邊，很難控制球按照預期的方向拋出去。這就是“科里奧利力”，在任何一個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中都有它的身影，就連臺風的旋轉(zhuǎn)方向也受到它的影響。自然，航天員的行動和作也不會例外。

因為在太空中進行載人旋轉(zhuǎn)試驗實在困難，于是，蘇聯(lián)在太空中進行了人工重力對動植物生命過程影響的研究。1975年，“宇宙-782”號衛(wèi)星上安置了一臺小離心機，當離心機旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的重力和地面重力相等。裝有細菌、植物種子和魚卵的容器放在平臺上。生物衛(wèi)星飛行了十九天半后返回地面時，科學家發(fā)現(xiàn)，這些生物并未受到失重的影響，它們的生長發(fā)育跟在地面上一樣。1977年，三十只老鼠隨“宇宙-936”號衛(wèi)星進入太空，其中十只在離心機上，受人工重力的影響；另外二十只在失重狀態(tài)下生存。離心機在入軌后以54轉(zhuǎn)每分鐘的速度開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的重力和地面相等。這顆生物衛(wèi)星飛了十八天半，結(jié)果在離心機上的老鼠的水和電解質(zhì)丟失、骨骼肌萎縮、代謝紊亂和骨骼變化都比對照組老鼠小。這說明，人工重力可減少失重對生理系統(tǒng)的影響。不過，離心機上的老鼠也出現(xiàn)了其他的不良反應——腦皮層工作能力下降、腦蛋白質(zhì)代謝受到抑制、前庭功能的敏感性增高，這極可能是由于離心機的臂（回轉(zhuǎn)半徑）太短、轉(zhuǎn)速太快造成的。因為人在轉(zhuǎn)速快的離心機中，也會產(chǎn)生前庭器官的一些反應和幻覺。

如果空間站的旋轉(zhuǎn)半徑是30~300米的話，人工重力對人的不利影響會相應減輕，不會出現(xiàn)明顯的動作失調(diào)和前庭癥狀。但是，這種規(guī)模的旋轉(zhuǎn)航天器在現(xiàn)階段還不能投入實際應用。從工程學的角度來看，更加可行的方案是，在飛船內(nèi)，設計出一種體積較小、高速旋轉(zhuǎn)的離心機。然而，小型離心機有一個重大缺陷，即如果離心機的直徑為6米（這種體積在飛船中已經(jīng)是相當小的了），它必須以每秒30圈以上的速率旋轉(zhuǎn)，才能在航天員腳部產(chǎn)生與地球重力相當?shù)奈Α５@種旋轉(zhuǎn)速率卻足以使航天員患上嚴重的太空運動病，觸發(fā)眩暈、嘔吐。假設你躺在一臺短臂離心機的旋轉(zhuǎn)軸上，頭部靠近中央位置，腿朝外，如果腿上的離心力是1g，那么頭部只能感覺到0.2g，甚至更低。這與人在地球上所感受的均勻重力很不同。快速旋轉(zhuǎn)還會產(chǎn)生另一種不良反應：當你在一個快速運動的離心機中快速轉(zhuǎn)動頭部時，你會感到很不舒服，有像翻跟頭一樣的感覺。在一些離心機的實驗中，經(jīng)常用一個裝置來固定被試者的頭部，就是為了防止出現(xiàn)上述錯覺。然而在太空飛行的時候，固定航天員的頭部顯然是不現(xiàn)實的。

看來，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的人工重力存在著先天的弱點。要更好地確定何種旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)半徑才能產(chǎn)生“健康”重力，必須進行更多的實驗才行。在未來的太空旅館，對于不同耐受力的游客，是否得有不同的重力方案？羅伯特·索耶在《計算中的上帝》中干脆設想了具有兩個同軸離心機的航天器，產(chǎn)生不同的人工重力——外圈的那個模擬長蛇星座第二-Ⅲ上的環(huán)境，里面那個則模擬孔雀星座第四-Ⅱ。這樣來自不同星球的外星人就都能自得其所了。

持續(xù)加減速

據(jù)說愛因斯坦小時候曾思考過這樣一個問題，如果人坐著電梯自由落體，他會看到什么現(xiàn)象、有什么感受？后來他得出答案：這時，電梯中的人將感覺不到重力的存在。參考系的加速度是與引力場等效的。這也說明，如果火箭以1g的加速度進行勻加（減）速飛行，火箭中的人將感受到與地表一樣的重力。

錢學森在20世紀五六十年代就思考過在恒星際飛行中，以持續(xù)加減速產(chǎn)生人工重力的問題。根據(jù)他在《星際航行概論》一書中的計算，使用當時人類掌握的最強的氘聚變做火箭推進能源，噴氣速度達到1.5萬千米每秒，持續(xù)加速以提供人工重力，在飛向比鄰星時，飛船最高速度可達到80%光速。在這種設定下，火箭起飛時的質(zhì)量與飛船最終質(zhì)量的比值（質(zhì)量比）得達到34.8億才行。這還不夠，在接近目的地恒星時，飛船還要從0.8倍光速減速到很小的速度以便降落在恒星的行星上，然后還要從行星上起飛返回地球。這樣質(zhì)量比就是34.8億的四次方，即1.5x1038；如果回到地球的返回艙重1噸的話（這已經(jīng)很小了，連神舟飛船的返回艙都重8噸），那么飛船加火箭的起飛質(zhì)量就是1.5x1038噸，這已經(jīng)超出了太陽系的質(zhì)量！要想降低質(zhì)量比，就要使用更高能的火箭燃料，提高火箭噴氣速度，比如將噴氣速度提升至0.5倍光速，上述例子中的火箭飛船起飛質(zhì)量可降低到約7000噸。但是，現(xiàn)在還想不出有什么技術(shù)可以使噴氣速度達到0.5倍光速。考慮到錢學森做這些計算時中國還沒有發(fā)射人造衛(wèi)星、美國人還沒登上月球，這的確是富有科幻色彩的研究。

在鄭文光的科幻小說《飛向人馬座》中，因為程序錯誤，“東方”號載人火箭以60m/s2的加速度持續(xù)加速飛行了185個小時，直至燃料耗盡。在這期間，火箭上的三個意外乘客承受了相當于地面體重6倍的過載，舉手投足都異常困難。如此長時間的過載竟然沒有給他們留下什么后遺癥，也算是奇跡了。

由此可見，使用持續(xù)加減速雖然能營造與地球重力無二的人工重力，卻過于耗費燃料，不符合節(jié)能減排的風尚，也不是資源匱乏的地球所能負擔的。但在短途旅行中，卻可以一試。在金·斯坦利·魯賓遜的《冰柱之謎》一書中，從地球到火星的飛船保持“加速-減速”的飛行方式，在大部分時間里營造出火星一半的重力，以確保航天員身體健康和盡快適應火星重力。

弗諾·文奇在《天淵》中設想了終身都生活在不斷變化的加速度中的“青河人”，他們有最好的醫(yī)療手段，加上從小培養(yǎng)，極少產(chǎn)生因方向感喪失造成的不適。有人說，人類胎兒在母體內(nèi)是頭朝下的，但并未表現(xiàn)出眩暈的癥狀。這說明對重力的適應很可能是后天形成的。或許，在太空失重環(huán)境中出生并長大的第一代人類將能在感覺上適應失重。但是，這種人體試驗觸及科技倫理，任何人都不能貿(mào)然嘗試。【責任編輯：楊?楓】