人造重力真神奇


 前面曾经讲到,习惯于地球重力(引力)的人类,要保障走出地球以后的生命安全,在诸多需要解决的问题中,有一个重力适应问题。任何宇宙航行都是一个长时间的过程,其间也有重力适应问题,理想的情况就是创造与地球引力相当的人造重力。为了更好地了解人造重力问题,这里先对它的理论根据——加速度与引力等效稍作介绍。

  加速度与引力等效是爱因斯坦广义相对论的一个重要概念。广义相对论认为,任何加速度都相当于引力;引力作用可选择一个适当的加速度来消除。

  其实,加速度与引力等效并不是到广义相对论才出现的。大家都非常熟悉伽利略的比萨斜塔实验,它证明所有物体在地球引力作用下都以相同的加速度落向地面。根据相对论的观点,也可以看作是地面在加速向上运动,而物体是静止的。在这里,我们就看到了加速度与地球引力等效,只是在当时没有人能解释清楚这是为什么。消除引力

  在日常生活中,我们也能接触到加速度消除引力的事例。乘电梯时,电梯上升,感到身体变重;电梯下降,感到身体变轻。如果电梯的缆绳突然断开,电梯在地球引力作用下自由下落,即1g加速下落,会感觉失重飘浮,因地球引力被自由下落的加速度抵消了。还有飞机作抛物线飞行,在从最高点下落中的失重,也是飞机自由下落抵消了地球对它的引力。再如人造地球卫星和航天飞船绕地球飞行诱导产生的失重和微重力环境,也是它们的离心加速度与地球对它们的引力大小相等、方向相反而相互抵消形成的。对人造地球卫星和航天飞船的运动来说,由于离心加速度的参与,使它在地球引力作用下的简单下落,变成引力作用下沿圆形或椭圆形的轨道运动。

  根据加速度与引力等效原理,有人建议将载人火星飞行飞船的密封座舱分成两部分,在飞船惯性飞行时让两部分对称地绕飞船旋转,开始时旋转速度快一些,让其产生与地球重力相当的人造重力,沿途逐渐降低旋转速度,到接近火星时,让人造重力正好与火星重力相当,使人的生理逐渐过渡到与火星重力环境相适应。我们在讲太空城时,讲到用自旋产生人造重力,其理论根据正是加速度与引力等效。我们还将讲到,宇宙飞船加速度飞行可以创造人造重力。
 
1g加速宇宙航行
 
  从需要来说,宇宙飞船的加速度越大越好,这样可以缩短到达目的地的时间。但是,人的生理和心理已习惯于1g(地球重力加速度)重力,过大的加速度会产生过大的加速过载(超重),使人无法忍受,即使像现在用运载火箭发射载人飞船那样有4-5g的加速过载也不行,因为宇宙航行是长期飞行,人总被超重压得动弹不得,那将如何生活和工作?

  那么,多大的加速度合适呢?最聪明的也是最科学的做法就是顺其自然。那就是1g加速。

  1g加速,既能使人感到与在地球上一样舒适,也能使宇宙飞船的速度很快地提高。

  1g加速到底有多快,捷足者已为我们做了计算。现摘录其中的一些数据,列成下表,供大家品味其奥妙,思考其真谛。从中可以看出,1g加速1年后,飞船达到0.77光速的速度,飞过0.56光年的距离,地球上过去了1.2年;3年后,达到0.996光速的速度,飞过9.77光年的距离,地球上过去了10.7年;5年后达到0.999934光年的速度,飞过83.54光年的距离,地球上过去了84.5年。表中5年以后的飞船速度由于数字太长,没有列出,这并无大碍,因为大家都知道那是不断向光速极限逼近的数字。

 

1g加速宇宙飞船飞行时间、速度和距离表

飞船上的时间
飞船的速度(光速)
飞行的距离(光年)
地球上的时间(年)
1年后
0.77
0.56
1.2
2
0.97
2.91
3.8
3
0.996
9.77
10.7
4
0.9997
29.14
30.1
5
0.999934
83.54
84.5
6
 
263.31
237.3
7
 
665.24
666.2
8
 
1869.57
1870.5
9
 
5250.96
5251.9
10
 
14744.98
14746.0
11
 
41401.51
41402.5
12
 
116246.37
116247.4
13
 
326388.87
326390.0
14
 
916409.12
916410.7
15
 
2573019.
2573022
16
 
7224338
7224342
17
 
20283712
20283744
18
 
56951408
56951456
19
 
159902192
159902192
20
 
448963584
448963840
21
 
1260571900
1260571900
22
 
3539301120
3539303420
23
 
9937432580
9937436670
24
 
27901710300
27901718500
25
 
78339440600
78339505200
26
 
……
……
 
冲压喷气宇宙飞船
 
  对未来的宇宙航行加速动力,科学家们已有过许多具体设想。如在20世纪60年代,美国科学家在一个研究性计划中,用连续爆炸的小型氢弹产生核脉冲,推动名为“奥利安”号的宇宙飞船加速航行,飞向天狼星或别的恒星。

  在70年代,英国科学家在一个取名为“代达罗斯”的研究性计划中,也用氢聚变的核脉冲加速飞船,飞往巴纳德星。

  在80年代,美国科学家弗·迪森提出用微波帆使飞船加速的设想。随后,罗·福瓦特进行了研究性设计,在取名为“星束”号的宇宙飞船上设巨幅网帆,将地球轨道上卫星电站的电能转变为微波束,射向“星束”号的网帆(中途经聚焦),使飞船加速,用20年时间可飞达比邻星。由于电能既可转变为微波,也可转变为激光,因此,福瓦特又设计了用激光帆加速的“星束”号宇宙飞船,飞向E.E.星。

冲压喷气宇宙飞船  后来,日本科学家又设想了1g加速的冲压喷气宇宙飞船。这个设想的巧妙和可贵之处在于返朴归真。1g加速的返朴归真,我们在前面已经说过了,它能使人感到始终像是生活在地球上。而冲压喷气则回复到航空时代,冲压喷气飞机就是用高速冲压,吸取空气,让汽油燃烧,产生高温高压燃气,向后高速喷出,产生反作用力,推动飞机前进。

  1g加速冲压喷气宇宙飞船的最大返朴归真,是利用宇宙中天然的能源。在广阔的宇宙空间,虽然是高度真空,但仍然散布着氢分子和氢原子,在星际分子云中每立方厘米达1万个左右。科学家们设想,在宇宙飞船的前端,安装一个巨大的漏斗形氢采集器,让它在飞船前进的过程中,将散布在宇宙空间中的氢收集起来,作为飞船的加速能源。

  氢的利用办法,一是让它进行核聚变反应,用它产生的高温加热工质,然后高速喷出,产生推力,使宇宙飞船加速。这就是核火箭发动机。二是将收集来的氢,与反氢相遇湮灭。氢与反氢在双双湮灭成光子的同时,放出大量热能,如果用这种热量加热工质,高速喷出,用反作力使飞船加速,那就是反物质火箭发动机。如果让光子在抛物面反射镜的焦点上产生,经反射镜反射后一致向后发射,也就是向后喷射光子,那就是光子火箭发动机。

  1g加速冲压喷气宇宙飞船还有一个最大的优点,那就是随着飞船速度的不断提高,收集的氢不断增多,这正好满足了因飞船质量不断加大,加速更困难,需要更多能源的需要。