无旋转的人工重力：终极空间站

  人们将生活在太空中。但我们的身体需要重力。我们该怎么做？已经定义了几个人造重力概念。其中一个被命名为科内奇尼空间站，以纪念这一概念的作者。万一有人建造它。这很简单。;-)

  该解决方案并非基于《星际迷航》中的某些奇怪技术，也不是基于《苍穹浩瀚》中爱泼斯坦引擎的持续加速。一切都基于众所周知的学校物理。它只在人类仍在轨道上时在行星或卫星附近起作用。

  转轮空间站又称冯·布劳恩轮，是一种轮状空间站概念。它由于旋转而产生人造重力。这一原理在电影《火星救援》中得到了很好的体现。然而，创造人造重力需要比电影中显示的更大、更快的旋转。

  人造重力所需的离心加速度定义如下：a = Ω² * r。尺寸和转速有许多限制因素。例如，如果您开始沿旋转的相反方向跑步。您可能会失去重量感；地板会在您下方旋转。旋转会扰乱我们的感官，我们很快就会失去平衡。

  哥伦比亚大学 Cool Worlds 实验室主任 David Kipping 制作了一个关于这一个主题的精彩 YouTube 视频。实际上，最小尺寸的直径为数百米。舒适区非常有限。

  所以《火星救援》电影中的旋转舱是不现实的。斯坦利·库布里克的最佳作品是《2001年太空漫游》。影片中的空间站直径为300m，但建造这么大的空间站需要数千吨的材料。例如，国际空间站 (ISS) 重约 420 吨，长 70 m。

  在电影《2001太空漫游》中，空间站每分钟旋转一周，产生的加速度约为1.655 m/s²，约为地球1G重力的16%。这与月球的引力大致相同，这对于太空生活的舒适度来说似乎是合理的。我们大家可以建造更大的圆柱形空间站，大小为数公里，这将使我们也可以模拟 1G 重力。然而，假如没有小行星采矿能力，这样的建设是不可能的。有哪些替代方案？

  由于空间站的旋转速度必须慢，因此半径必须大。这能够最终靠用电缆连接空间站或航天器的两个部分来实现。它们将充当配重并围绕其共同质心旋转。电缆可以长达数百米。例如，两艘星舰在 1500 米长的电缆上编队，每分钟转一圈，能够给大家提供 1G 的人工重力。

  对于星际旅行来说，这是一个格外的简单的解决方案，但并不完全适合行星附近的空间站。登上这样的车站并保持其稳定是十分艰难的。我们能否以不同的方式使用电缆来消除这种限制？

  有限空间站是一种非旋转系留空间站。轨道系统是两个质量的耦合系统。空间站的上部（上部站）放置在围绕天体（例如地球）的轨道上。悬浮站（低站）位于天体表面以上一定高度。

  连接的物体将以相同的角速度绕地球旋转。较低的站将被重力拉向地球，而较高的站将被离心力向外推。

  这两个力需要平衡 [a = (G* MassOfPlanet /r² ) - (Ω² * r)]，以便系绳连接的空间站保持稳定。结果，两个站都会经历恒定的加速度（人工重力）。

  对于较低的站，加速度的方向将朝向行星，对于较高的站，加速度的方向将向外。因此，居住在顶层车站的人们将会有一种独特的体验。他们将站起来，抬头看地球。这与透过天窗观看类似，但您看到的不单单是星星，而是地球大陆。

  该系统的实现方式有多种配置。上站距离地球越远，能够得到的加速度G就越大。每天更少的转数意味着对地球的吸引力更大。因此，下站能轻松实现更大的加速度。以下是每天绕地球 10 圈的加速度 [m/s²] 与距离的关系示例：

  加速度 [m/s²] 取决于距地球表面的距离（每天 10 转） 我们正真看到，在距地球 430 公里的高度（~ISS 高度），我们大家可以达到 4.81 m/s²（约 0.5G）下站。为了提供 1G，高层站必须距地球表面约 13,700 公里。

  角速度是调节的关键参数之一。下图概述了三种不同的速度：每天 5、10 和 13 转。速度太低将需要很长的电缆。更高的速度将减少对地球的重力。因此，下站必须比上站重。然而，这将允许减少电缆长度以达到 1G。

  加速度是角速度和离地高度的函数，我开发了几种选项来找到优化电缆长度的解决方案，使系统在技术上可行。最佳位置似乎是每天 12.5 圈，下站位于距地球 522 公里处，上站位于 2,700 公里处。两个站将具有相同的质量并经历大约 0.27G。这比火星上略少，但大约是月球上的两倍。这将缓解微重力中出现的大部分问题。

  该电缆长度为2178公里。我们有可以将几个站固定在一起的材料吗？或者这个概念注定会失败，就像太空电梯一样？

  幸运的是，我们似乎不必等待像碳纳米管这样的神奇材料。让我们一起看看 Zylon，它是当今实际可用的第二好的材料。它是20世纪80年代发明和开发的合成高分子材料。其拉伸强度为5.8 GPa，是凯夫拉的1.6倍。与 Kevlar 一样，Zylon 用于许多需要极高强度和优异耐热性的应用，例如网球拍和 SpaceX 载人龙飞船的降落伞。

  zylon的抗拉强度为379公里。这是通过作用在电缆上的 1G 的力来计算的。因此，在张力较小的情况下，我们大家可以将电缆拉得更长。这就是我们的案例。电缆将始终经过零重力点，地球重力和离心力在此达到平衡。我们大家可以在这里建立一个中型空间站。它将具有微重力，对接将类似于今天与国际空间站的对接。向上和向下传送的质量相等。中间站的位置将充当稳定元件。通过调整站和高效离子发动机之间的电缆长度，我们大家可以保持站对齐和力平衡。

  加速度从 0 到 0.27G 不等。中间站距地球表面约 1,470 公里。因此，我们有两部分电缆，到上站的长度为 1230 公里，到下站的长度为 948 公里。站点所在电缆末端的最大加速度为 0.27G。平均值约为0.15G。这比 1G 大约小 6.5 倍。因此，我们大家可以拥有长达 2,500 公里的电缆，大约是所需长度的两倍。所以zylon材料似乎适合做电缆。

  我们需要将它送入中站轨道。那么 1230 公里长的 zylon 胶带有多重？典型密度为 1.55 吨/立方米，电缆尺寸为 30 毫米 x 1.5 毫米，我们的重量为 85 吨。这对于 SpaceX Starship SuperHeavy 火箭来说是相当有能力的。以每米 20 美元的价格（每米起价 17.36 英镑起）计算，电缆下部需要 2460 万美元，上部需要 1900 万美元。不到5000万美元，非常实惠。每根电缆必须支撑重达数百吨的空间站。使用多盘磁带是明智的做法。

  下站和上站将利用中站建设。底部和顶部的等质量组件将分别同时上下移动。因此，重心将保持在中站所在的同一位置。人类能在中站工作，在下站或上站生活。借助电梯，几小时内即可到达。

  同样的原理可以用在月球上，但火星更有趣。火星有一大优势：火卫一。它是一个形状不规则的小卫星，半径为11公里。它距离地表仅 6,000 公里，绕火星一周需要 7 小时 39 分钟。

  火卫一可当作上层空间站，或者更确切地说是下层空间站的锚点。电缆将垂向地球。低地站对火卫一轨道的改变将是微不足道的。由于火星大气层有限，底部站也可能非常低，仅在表面上方。例如，54公里将提供3.41 m/s²（0.34 G），居住在那里的人们会感受到与火星表面几乎相同的重力。

  这样一个低悬的站能提供什么优势？我能想象将下站直接放置在地面上方的另一个巨大优势。它相对于行星表面只会以大约 550 m/s 的速度移动。喷气式飞机/小型火箭可以轻松达到这个速度。这样的车辆可能会被下站下方的附加电缆卡住并被拉进去。这样一来，从下站运送物资和人员到地面就会非常便宜。火箭发动机将把飞机升起，这样它就能够正常的使用助推器滑翔和着陆。

  因此，火卫一可当作星际航天器的太空码头，而这些航天器的设计目的并不是进入大气层。材料将使用绳索升降机向上/向下运输到下站。电梯可以是电力驱动的。因此，这将显着降低运输成本，几乎为零。电梯在下降过程中将利用其势能为火卫一上的电池充电。稍后将利用这些能量和火卫一上太阳能电池板的额外能量来上升。

  下降的物质的质量可能与上升的物质的质量不匹配。然而，考虑到火卫一的质量（1.0659×10^16 kg），该系统能使用几个世纪，而火卫一的轨道不会出现重大变化。火星的殖民化和地球化改造可能很有效。行星际飞船的火箭燃料可以在火星上生产，并能非常高效地运送到火卫一为飞船补充燃料，损失很小。我们大家可以轻松探索外太阳系。