宇航员为什么还受重力作用（为何不用人造重力）

神舟十三号飞船在10月16日成功发射，据中国宇航局透露，这次宇航员们在太空中停留的时间要比神舟十二号还久，也就是至少要待3个月以上。宇航员在太空中是处于失重状态的，这种失重状态对于人类的身体健康有着诸多影响。

比如之前登上头条的神舟十二号飞船的宇航员在下飞船时坐躺椅，当时大家都很担心宇航员们的身体，这种情况正是因为他们在太空失重环境中带了三个月，初回到重力平衡的环境，会感觉到十分不适应。

经过严格筛选和训练的宇航员对于这种失重都无法抵抗，何况是我们普通人呢？因此在这种条件下，星际移民和太空旅行可谓是痴人说梦，即使经过训练的游客达到了升空标准，相信这也不会是一场舒适愉悦的旅行。

除此之外，未来人类肯定会探索更加遥远的行星，花费的时间也会更多，以火星举例，如果来走个来回，最快也要将近3年的时间。如果人体在3年当中一直处于失重会发生什么，我们谁也不知道。

根据以上这些需求，不少人提出为何不利用人造重力建设空间站或者飞船，解决宇航员站不起来的问题，确保他们在其中可以像在地球上一样正常生活。科幻电影中的那些模拟重力的空间站在现实中不能建造吗？在人造重力方面，究竟有什么人类尚未解决的困难？

重力是什么

在了解失重和人造重力之前，我们首先需要知道重力到底是什么。重力其实属于万有引力的一种体现，地球上的所有物体时刻都在受地球吸引，这里被吸引所受的力就叫做重力。

重力的方向一直都是垂直向下的，物体受到的重力的大小跟物体的质量成正比，计算公式是：G=mg，g为比例系数，大小约为9.8N/kg。

提出和发现重力的正是在1687年被苹果砸中的牛顿，他那一刻的灵光乍现改变了人类对地球以及宇宙环境的看法。

正是由于重力的存在，我们才能站立在地球之上，如果进入太空或者到达其它引力小的星球，以人类的重量是无法站立的，多半时间都在飘着。重力作为力学当中最重要和最基本的概念，物理学界对于它的定义有很多种。比如说不少人认为，重力不单是万有引力的体现，而是万有引力和惯性力合力作用的体现。

进入太空我们会感觉到失重，就是引力拉力小于重力的体现。

但是在进入太空之前，航天器的发射阶段，宇航员是处于超重状态的，当然这一状态不会延续太长时间，根本原因是航天器要超过一定的速度才能“逃离”地球，因此这时有向上加速度的存在，宇航员会感到超重。同理在深海潜水当中也会有巨大的超重感，这时需要穿戴专用的抗荷服。

失重对人体的影响

太空中有不少影响人体健康的因素，比如说真空环境、高强度的辐射，其中微重力的环境是对人影响最大的。前文提到了重力是地球万有引力的体现，其实地球是存在一个重力场的。但是在太空之中，重力几乎为零，可以忽略不计，比如说月球表面的重力只有地球的六分之一，火星则为三分之一。这种失重环境会对人体的各个系统带来影响，比如体液头向转移、心肺功能改变、神经系统紊乱、骨质疏松和肌肉退化等等。

首先，就是体液转移。我们看到宇航员在太空之中经常处于飘着的状态，这是因为失重环境下他们无法完全掌控自己的身体，这是身体里的体液也会发生变化。体液会向着上身和头部的方向转移，淤积在胸腔和头颈部位，这种情况会一直持续，直到返回地面。宇航员通常会感到头部发胀或者头疼，需要卧床休息才会有所缓和。

相比于上半身的体液过多，下半身的体液又变得特别少，在这种条件下就真的变得“头重脚轻”了，腿部会出现明显变小的情况。

经过观察，当转移的体液达到2L时，大腿周长会减少10%～30%，航天员会发现自己的腿就像2根“棍子”，这就是所谓的“鸡腿综合征”。

看到这里就不难理解为什么宇航员返回地球之后要坐躺椅和担架了，因为腿部一时之间是使不上力气的。

其次感觉神经紊乱，微重力会影响人体的前庭系统，使其接收到一些杂乱的信号，造成一种名为“空间运动病”的不良反应，常常伴随着恶心呕吐、肠胃不适、食欲不振等表现。

心肺功能受影响则更加严重，因为我们知道心脏是人体的发动机，在失重状态下人体会出现心肌萎缩、心肺血量增加、心律不齐等症状。重力缺失使得人体活动减少，心脏就长期处于低动力的状态中，等到宇航员返回地面时就会发现心脏机能明显下降，还会伴随出现耐力下降的症状，无法长时间站立。

最后就是骨质疏松和肌肉退化了，相关宇航局展示的数据显示飞行6个月的航天员胫骨松质骨的丢失量就达到了24％，这种情况会使得人体肾脏内的钙出现沉积，增加肾结石风险，骨骼的加速老化会导致宇航员返回地球后骨折风险大大提升。肌肉退化则主要体现在身体的下半部分，比如前文所说的鸡腿综合征，长期飞行的肌肉丢失量最高可以达到50％，还会抑制肌肉纤维重建，想短期之内恢复过来也很难。

除此之外还有心理问题等等，这就不赘述了。可以看出来，在失重的环境之下，人体的多项机能都受到了影响，有些在返回地球之后可以进行恢复，但是需要一个非常漫长的时间，比如说失重状态下骨骼退化的速度大概是正常环境的8倍，可以说飞入太空不仅没能让自己的时间变慢、延缓衰老，反而是加速了自己身体机能衰老的速度。

因此为了长期在太空工作的宇航员身体健康着想，也为了日后人类愉快地完成太空旅行，“人造重力”成为当下热议的话题。

人造重力

人造重力是一种人为的重力效果模拟，主要就是为了解决以上所述的失重对人体的影响。常用的方法就是使空间站或者飞船处于旋转的状态，人为制造出离心力。

人造重力从理论上来说是可行的，我们以空间站围绕0点进行旋转为例，这时的角速度为w，空间站内半径R1，外半径R2，高度h，质量m，得出公式mw2R＝ma。

空间站由内到外的人造重力处于变化阶段，中心处0点则完全失重，距离0点越远重力就越大，因此如何确定空间站旋转的角速度也很重要。

早期就有人想到这种类似于科幻电影当中“环形空间站”的设计，并且提出了假设。比如1949年《英国行星学会杂志》当中就给出了这样一个空间站的设想，使用推进器使得该空间站沿着轴旋转，这样就会产生向心力。重力的数值与旋转轮尺寸和速度相关，如上文所说速度越快，重力就越大。

但是这种人造重力空间站的设想被美国宇航局工程师大卫·贝克指出，旋转式空间站仅仅是理论可行，想要在太空之中建立起来以现在的科技是不可能的。

除了利用这种方法实现人造重力，还可以利用离心机。比如2016年11月10日俄罗斯的卫星网就发表了这一报道，俄罗斯科学院生物研究所所长列格·奥尔洛夫表示他们制造出了小型的离心机，可以用来模拟重力，应用在空间站和太空舱的建设当中。

具体来说就是将宇航员放在装有离心机的装置上面，这个小型装置会一直旋转，模拟出重力，消除宇航员的失重感，但是这种旋转也会引发空间运动病，所以并不是最佳方法。

新型空间站设想和困难

2011年时美国的宇航局发表了关于新型空间站的创新提议，名为“鹦鹉螺-X”。这个装置就和鹦鹉螺的外形相似，多个独立的舱室相互连接，上面有大型太阳能电池板和管道，围绕着零重力的中心旋转。但是这一设计最终由于耗资巨大无法进行，它的总预估耗费高达37亿美元，后续还在不断提升。

日前，设计师蒂姆·阿拉托雷表示将设计一款名叫“冯·布劳恩空间站”的人造重力太空酒店，酒店内可以容纳400名旅客，基础设施一应俱全，不过这一说法目前只是设想，酒店业附上罗伯特·毕格罗则希望能够在太空中建立起一个充气式轮型空间站。

以现在的深空科技发展水平来看，模拟重力建造空间站是不可能的，因为这种空间站耗资过于巨大，资金受限导致研究和开发工作无法进行。而且要确保制造出来的东西确实是可以投入使用的。这类大型空间站需要经过精确组装，显然组装工程要在太空当中进行。

这种大型的部件需要利用火箭运输升空，现在大型重载运输火箭除了美国的土星五号以外，大部分都处于研发试飞阶段，不能承担这种任务。

所以说，太空事业建立是环环相扣的，因此现在航天工程师都表示，在确定利用人造重力建设空间站之前，先要搞清楚在宇宙中究竟多大的重力最合适，还能依靠着科技研发实现。这之后设计部件前也要确定有可以运载升空的大型火箭，其次太空中的对接设备也是关键。所以在这些技术尚未成熟之前，想利用人造重力建设空间站是不现实的。

结语

简单来说，人造重力理论上不难，但是在现实中实施的话会受到多方面的限制，空间站模拟重力目前只能处于设想当中。等到宇航员们能在太空舱和空间站中正常站立和行走，那么大家梦寐以求的太空之旅应该就可以开启了，可以说不论是太空旅行还是其他星球的人类基地建设，人造重力都是不可缺少的环节，期待人造重力成功施行的那一天。

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