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通过离心力实现人工重力

1900

Konstantin Tsiolkovsky

（图片仅供参考）

通过旋转航天器结构，可以在航天器内产生人造重力。乘员会感到…… 离心力将它们推向外壳，模拟重力。这种表观重力的大小由公式 [latex]a = omega^2 r[/latex] 给出，其中 [latex]omega[/latex] 是角速度，[latex]r[/latex] 是旋转半径。此举旨在抵消长期失重对健康的负面影响。

The creation of artificial gravity is considered essential for long-term human spaceflight to mitigate the adverse health effects of weightlessness, such as muscle atrophy and bone density loss. The most practical proposed method is to use 离心力. By spinning a spacecraft or a section of it, an inertial force is generated that pushes everything inside towards the outer wall. From the perspective of an astronaut in this rotating frame, this outward push is indistinguishable from gravity. The strength of this “gravity” depends on the radius of the rotating structure and its rate of spin. A larger radius allows for a slower rotation rate to achieve Earth-like gravity ([latex]1g[/latex]), which is desirable to minimize disorienting effects like the Coriolis effect. For example, a structure with a radius of 224 meters would need to rotate at 2 revolutions per minute (RPM) to simulate 1g. Smaller radii require much faster rotation, which can cause motion sickness and other physiological problems. This trade-off between size, structural mass, and physiological comfort is a major challenge in designing rotating spacecraft.

这一概念最早由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于1903年提出。后来，沃纳·冯·布劳恩和其他航天先驱将旋转设计融入到他们设计的空间站和星际飞船方案中。虽然目前还没有建造出配备完整人工重力系统的载人飞船，但许多设计研究，例如斯坦福环形体和奥尼尔圆柱体，都探索了大型旋转居住舱的可能性。在较小规模上，地面离心机被用于训练飞行员和宇航员承受高重力，并研究超重力对生物体的影响。

航空学, 航天, 人工智能（AI）, 环境影响, 人为因素, Human-Centered Design, 机械工业, 机器人技术, 太空探索

UNESCO Nomenclature: 3302

- 航空工程与技术

类型

抽象系统

中断

递增

用法

概念性/理论性

前体

牛顿力学和离心力的概念
早期火箭理论（齐奥尔科夫斯基）
了解失重的生理影响

应用程序

长期太空任务（例如火星任务）的拟议设计
科幻作品中对空间站的描绘（例如，斯坦福环面、奥尼尔圆柱体）
用于宇航员训练和航空航天研究的人体离心机

专利：

潜在创新理念

地球上的可变重力研究设施
用于星际任务的紧凑、可部署的旋转栖息地
为长途飞行的宇航员提供离心机睡眠区
用于太空动植物栖息地的人工重力系统
具有零重力和人工重力部分的混合航天器设计
微重力条件下的材料离心铸造
用于太空医疗的治疗离心机
用于太空旅游的休闲离心机
先进的控制系统，用于管理大型旋转结构的摆动和振动
生物反馈系统帮助人类适应旋转环境

相关术语：人造重力、离心力、空间站、旋转参考系、失重太空探索齐奥尔科夫斯基、科里奥利效应、宇航员、航空航天工程。

历史背景

氯碱工艺

氯碱工艺是一种电解氯化钠 (NaCl) 溶液（又称盐水）的工业方法。它是生产氯气 (Cl₂)、氢氧化钠 (NaOH) 和氢气 (H₂) 的主要来源，而这些产品都是重要的日用化学品。现代方法使用膜电解槽分离阳极和阴极产物，以确保高纯度和高效率。

抽水蓄能水电

抽水蓄能水电（PSH）是一种水力储能技术，用于电力系统平衡负荷。该方法将水的重力势能以水力储能的形式储存起来，将水从低海拔水库抽到高海拔水库。在电力需求高峰期，储存的水会被释放，驱动涡轮机发电。

放热焊接

放热焊接，也称为铝热焊接，是一种利用铝热反应产生的过热熔融金属在金属部件之间形成牢固、持久的分子键的技术。该工艺独立运行，无需外部电源。它最著名的用途是将铁路轨道段连接成连续的焊接轨道，从而打造更平整、更耐用的轨道。

通过离心力实现人工重力

氧乙炔燃烧工艺

氧-乙炔焊接使用乙炔（[latex]C_2H_2[/latex]）与纯氧燃烧产生的火焰。反应分两个阶段进行。内部白热锥体中的初级反应不完全，会产生一氧化碳和氢：[latex]2C_2H_2 + 2O_2 \rightarrow 4CO + 2H_2[/latex]。这些热气随后在外层与大气中的氧气发生反应，完成燃烧。

沉淀硬化

沉淀硬化，又称时效硬化，是一种提高可锻材料屈服强度的热处理工艺。该工艺包括加热合金使溶质元素溶解（固溶化），快速冷却（淬火）使其进入过饱和固溶体，然后在较低温度下进行时效，形成第二相（沉淀物）的细小颗粒，从而阻碍位错运动。

氧乙炔火焰类型

氧乙炔火焰的特性取决于氧气与乙炔的体积比。中性火焰（体积比 ≈ 1.1:1）是钢焊接的标准火焰。渗碳火焰或还原火焰（体积比 1.1:1）氧气过剩，温度更高，用于钎焊。

1890

1899-01-01

1900

1903

1906

1910

1886-04-23

1890

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1900

1903-05-10

1910

霍尔-埃鲁法

霍尔-埃鲁法是铝冶炼的主要工业方法。该方法包括将氧化铝（Al₂O₃）溶解在熔融的冰晶石（Na₃AlF₆）中，然后电解熔融的盐浴。铝金属沉积在阴极，而氧化铝中的氧气与碳阳极发生反应，生成二氧化碳。这一工艺使得铝的供应更加广泛且价格更加实惠。

交流电路中欧姆定律的推广

对于交流电路，欧姆定律用复数概括为 [latex]\mathbf{V} = \mathbf{I}。\[/latex]。这里，[latex]\mathbf{V}[/latex] 和 [latex]\mathbf{I}[/latex] 是复相位，代表正弦变化的电压和电流，同时捕捉幅值和相位。[latex]\mathbf{Z}[/latex] 是复阻抗，它扩展了电阻的概念，将电容器和电感器的影响包括在内。.

佩克特定律

一个经验公式，用于描述电池的可用容量如何随着放电率的增加而减少。该定律表示为 [latex]C_p = I^k t[/latex]，其中 [latex]C_p[/latex] 是一安培放电速率下的容量，[latex]I[/latex] 是放电电流，[latex]t[/latex] 是放电时间，[latex]k[/latex] 是针对电池类型的普克特常数。它量化了高负载时的低效率。

火灾三角模型

火灾三角是一个简单的模型，它描述了大多数火灾发生的三个基本要素：热量、燃料和氧化剂（通常是大气中的氧气）。消除其中任何一个要素，都可以阻止火灾发生或扑灭现有火灾。这是消防安全和预防的基本概念。

速度增量（天体动力学）

速度变化量（Δv），字面意思是“速度变化”，是衡量轨道机动所需冲量的标量。它量化了任务所需的总推进力，与航天器的质量无关。该值对于任务规划至关重要，因为它决定了所需的推进剂装载量。速度变化量是累积的；一次任务的总速度变化量是所有所需机动速度变化量的总和。

齐奥尔科夫斯基火箭方程

该方程描述了遵循火箭基本原理的车辆运动：通过高速排出部分质量来实现自身加速的装置。它将火箭可达成的Δv与有效排气速度及初始/最终质量相关联，表达式为Δv = v_e \ln \frac{m_0}{m_f}。.

氧燃料切割原理

氧燃料切割或火焰切割是通过快速放热氧化过程将黑色金属切断。首先，预热火焰将钢材表面升至点火温度（约 870 °C 或 1600 °F）。然后，高压纯氧喷射到点上，引发化学反应：[latex]3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4[/latex]，形成熔融氧化铁（炉渣）并释放热量。