科学家要“人造”重力 把重力带上飞船

我们经常看到这样的电视画面：宇航员在太空飞船内部的微重力环境中“四处漂浮”。然而，长时间的失重会给他们的身体造成严重危害。随着载人太空活动的不断增加，尤其是美国宇航局“探索火星之旅”计划的不断推进，科学家必须找到一种合适的应对办法，以降低失重状态给宇航员身体所造成的危害。

在没有地球重力的环境中，宇航员的行动将会失去协调性。而且，随着时间的推移其体内血红细胞数量将持续减少，骨骼和肌肉出现退化，甚至心脏功能也会逐步退化。

因此，在每次结束太空旅行回到地面后，宇航员需要数周的时间才能再次适应地球的重力环境，在未来很长的时间内他们将面临骨折和肌肉损伤的风险。伦敦大学航空、空间和极端环境医学中心的凯文?奉戈说：“在太空期间，宇航员的身体必须努力适应失重环境，而在返回地面后这将给他们的身体带来很多问题。”

依照美国宇航局的火星探测计划，太空船在飞抵火星后将尽快返回地球，单程飞行需要大约6个月。在如此长的时间内，宇航员在微失重环境下工作和生活，当他们抵达火星表面后，身体状况就已经非常差。

迄今为止，科学家采取了一些措施以尽量降低微重力环境对宇航员身体的负面影响，例如在太空舱内设立固定的踏车或者健骑机，使宇航员在飞行期间能够进行锻炼等，但这些措施的效果却十分有限。

空间科学家认为，解决上述问题的方案就是，太空飞船内建立一个人造重力环境。奉戈说：“我们可以将地球上的空气、实物、热量等携带到火星上，那么，为什么不能携带重力呢？”

旋转的身体可以产生向心力，可用来模拟地球的重力。早在1911年科学家就提出了这一设想，当时太空旅行的先驱者们曾经设想，在太空舱中建造一个大型旋转圆环状，可以为宇航员提供一种重力环境。其他的方案包括：建造一个设备，可以为宇航员提供强大的离心力环境。宇航员在这样的环境中工作、生活和娱乐，将大大减少在探索火星的旅途中身体所受到的损害。

然而，困扰人们的问题是，在现阶段旋转的飞船模型并不能投入实际应用。

因为这种模型产生的离心力取决于其半径和旋转速率。为了产生足够大的离心力，其半径将远远超过100米，体积大致相当于目前全世界最高最大的摩天轮伦敦眼。为了产生与地球重力相当的吸引力，其旋转速率应该比较小———每分钟旋转若干次。此外，人造重力系统同样也会对宇航员的身体产生一些不利影响，例如产生头轻脚重现象等。

从工程学的角度来看，更加可行的方案是，在太空飞船的主体内部，设计出一种体积较小、高速旋转的离心分离机。而这正是约翰逊休斯敦空间中心神经科学家比尔-帕罗斯克目前从事的研究工作。

在该研究项目中，志愿者在一种特制的床上躺大约3周的时间，其头部位置低于脚部，主要研究失重对人体的负面作用。其中一半的志愿者在离心分离机中，每天旋转一个小时，以创造人造重力。从志愿者的脚到头部人造重力逐渐减小，即从2.5克减少为0.7克。

帕罗斯克说：“我们探究人造重力究竟能给人身体带来哪些益处，观察志愿者的肌肉和骨骼组织的强度、心脏的功能、应激激素的水平和有氧锻炼等指标的变化情况。”他指出，初步研究结果令人鼓舞，并将于今年发表。

然而，小型离心分离机有一个重大缺陷。如果离心分离机的直径为6米（这种体积在太空飞船中已经是相当小），它必须以每秒30次以上的速率旋转，才能在宇航员脚下产生与地球重力相当的吸引力。但这种旋转速率却足以使宇航员产生严重的运动病。为了使宇航员避免受到这样的损害，研究小组目前正在设计一种旋转健身馆。

加州大学整形外科专家文森特?克沃慈奥领导的研究小组设计出一个体积较小的离心分离机。一名宇航员坐在一个类似自行车的悬挂设备上，另一名宇航员坐在另一侧，两人都被固定在离心分离机上的中心柱上。通过用力登踏圆环，宇航员产生离心旋转。该设备既可以测试两名宇航员心血管方面的指标，也为他们提供了人造重力。宇航员可以在里面进行锻炼，并保持肌肉的协调。克沃慈奥说：“这种舱的效果非常好，因为其锻炼部位主要是宇航员的大块肌肉、腿部和后背下部，而这些部位受到失重的影响最为严重。”

克沃慈奥研究小组正在实施的另一个研究方案是增加人造重力。该方案加快了实验舱的旋转速度，减少宇航员在健身馆中的锻炼时间。克沃慈奥说：“我们有一些研究项目，可以将舱内的人造重力增加到相当于地球重力的三倍。”帕罗斯克对该利用超重进行研究的项目前景非常感兴趣，但他认为在彻底弄清楚其机理之前仍然需要大量的研究工作。

超重意味着离心分离机的旋转速率高于每秒40次，而这样就有可能诱宇航员产生呕吐现象。但帕罗斯克的研究结果显示，只要使头部保持静止状态，即使是宇航员在做轻微的蹲伏动作，他们基本上可以避免运动病。

麻省理工学院的拉瑞-杨也正在研制一种人造重力健身馆。在这种健身馆中，离心分离机中心柱一侧的臂上有一个圆环，另一侧臂上悬系着一个配备踏车的笼子。他认为宇航员可以适应人造重力，“实际上，在离心分离机高速旋转的状态下，任何人都可以在短时间内适应头部运动。”

杨认为其诀窍在于，在人造重力环境中的重复运动，以及不断地增加离心分离机的旋转速率可以训练人的大脑。因此，宇航员在离心分离机中走动不仅不会产生呕吐，而且宇航员在再次起飞也不会产生副作用。这意味着可以设计出实用的生活和工作舱。

帕罗斯克指出，研究人员需要做更多的深入研究，才能确定长期置身于离心分离机中，究竟能给宇航员身体带来何种损害。

2010年，杨领导的研究小组将向地球轨道发射一颗火星重力生物卫星。在该实验中，将把老鼠放在一个旋转的离心分离机中，时间长达一个月，该离心分离机产生的人造重力大约是地球重力的三分之一。如果该项研究成功，在漫长的火星之旅中，宇航员只要每天在健身馆中锻炼一次，就可以保持良好的身体状况，在返回地球之时将会保持充沛的精力。

帕罗斯克：“我们可能像医生开处方那样，开出‘重力处方’，让宇航员每天按时服用即可。”