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  • 为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    因为只有在科幻小说中,才有如此多用于太空计划的资金来建造如此宏大的空间站。

    这种空间站是通过旋转产生的离心加速度用来代替重力加速度(g),达到模拟重力的目的。公式为:ω^2 r=g

    根据上述公式,我们只要让物体按照角速度(ω)旋转,那么在离旋转中心一定距离(r)的地方会产生一个与重力相同的力(离心力),即通过旋转模拟重力。

    我们通过上述公式可以发现,有两个旋转的参数影响着我们模拟的重力加速度大小,一个为角速度大小,另一个为半径大小。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    当人站在这种空间站的“地板”上时,会产生一种较为严重的“并发症”。根据上述公式可知,由于头和脚所处的r并不相同,因此头和脚将会有不同的线速度和离心力。当这种情况比较温和时,人可能仅仅感觉不舒服,较为严重时人会感到恶心,极端情况下会使人十分虚弱。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    为了避免这种“并发症”,那么空间站需要有一个超级大的半径(r),让人的身高带来的头脚位置差距与之相比可以忽略不记。

    另外还有一些参数也需要考虑到,一般来说为了避免人体头脚速度差带来的不适,需要将角速度(ω)限制在2转/分(0.209 rad/s)(PS:我们所在的地球为0.00069转/分,约0.0000073rad/s)。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    我们将上面的角速度ω代入上述公式(重力加速度约为9.8m/s2),可以计算出一个模拟出地球重力加速度的空间站至少需要多大的半径(r)。

    r=〖9.8/0.209〗^2≈224.3m

    我们还无法制造出半径如此之大的空间站,就连建造如此之大的运输车辆也有资金困难。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    另外,目前如国际空间站(ISS)之类的空间站首要任务是提供一个不受重力加速度影响的实验环境。大量送往国际空间站(ISS)的实验都需要排除重力的影响,比如晶体生长实验,因为受地球重力影响,晶体的生长往往会受到限制。该类需要在空间站所做的实验,由于没有重力可以反应出与地球上不同的实验结果。但实验室一旦开始旋转产生模拟的重力加速度那么将失去它原有的实验价值,因为实验环境变得跟地球一样。既然这样为什么还要送去太空进行实验呢?

    另外还有一些人说,既然实验室空间站不能旋转,那我们就建造一些专门为人员居住的旋转空间站吧。对这些人,我会说去看看我回答的第一句话吧。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    罗伯特·弗罗斯特在分析旋转空间站所需要的尺寸时说到:“以一个结构工程师的观点来看,建造如此的空间站将面临很多不可能的挑战。”

    一般来说,我们需要限制角速度不超过2转/分(0.209rad/s)以消除头脚速度差带来的不适。通过上文计算我们可知需要一个半径巨大的空间站。

    同时,罗伯特指出,这个巨大的空间站同样还受到材料力学性能的限制。

    经典科幻小说中的辐条状空间站结构是完全错误的,因为你只需要一个简单的中空圆环。旋转的结构内部将持续受到向外的压力。现实中应对此类向外压力的设计中,有一种很常用的实例——压力容器。

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    两者之间唯一的区别在于,压力容器受到的使一个三维空间的压力(球形),而旋转环受到的是二维的向外压力(平面内圆形)(当然也可理解为向心加速度,这取决于你选择的参考系)

    分析如此复杂的一个对象,可以先将旋转空间站的模型简化为一个巨大的带状圆环(而非中空的圆盘)。我们可以根据这个简化的模型来分析空间站的结构所受的压力。

    压强是力作用在一个有限区域上的表现,而由该带状圆环所受的由内向外压力大小与其模拟重力相等:

    F=m∗g

    因为质量等于体积乘以密度ρ,而体积为带状圆环的带状面积A乘以厚度t,因此上述公式可写为:

    F=ρ∗A*t∗g

    现在,该力是均匀施加在带状圆环内表面,该面积与上A相同即为带状圆环的圆环周长(2π∗r)乘以宽度w。

    A=(2π∗r)∗w

    所以该处的材料内所受压强为:

    P=F/A

    P=(ρ∗A*t∗g)/A=ρ∗t∗g

    根据圆带所受压强,计算其相关应力,根据用于压力容器设计的环向应力方程我们可知:

    σ=P*r/t=((ρ∗t∗g)∗r)/t

    σ=ρ∗g∗r

    把前面已经确定设计半径带入方程可得:

    σ=ρ∗9.81m/s2∗224.3m

    σ=ρ∗2200m2/s2

    σ/ρ=2200m2/s2

    为什么只有科幻小说中的空间站在旋转呢?

    将材料的屈服强度除以其密度即为材料的比强度,根据上述计算可知,我们需要比强度大于2.2的材料才能满足要求。(需要选取屈服强度大于所受应力的材料)。

    这看起来好像没有什么难度,但请记住,这只是一个没有考虑任何安全余量的最低材料参数要求。

    当你考虑其他的一些结构条件,如材料负载、内部压力、冷热循环等其他常见的因素后对材料的性能要求将会进一步提高。

    可能有一些材料的纸面性能可以满足需求,但是太空环境恶劣,让空间站将面临更高的抗破坏挑战。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3. quora-大卫高怕飞

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