一枚火箭就可以发射的“千米级”自旋重力空间站

目前，人工重力仍然是科幻小说里的东西。但是，没有重力确实会给许多宇航员带来严重的问题，从骨骼退化到失明。

一种可能消除这些问题的方法是“模拟重力”，它使用一个旋转结构来产生离心力，这个离心力会对物体产生和重力一样的效果。实际上，这是否能解决由重力不足引起的问题还有待观察。尽管如此，NASA似乎对这个想法很感兴趣。美国航空航天局高级概念研究所（NIAC）第二阶段拨款60万美元给卡内基梅隆大学（CMU）和华盛顿大学（UW）的一个团队，他们希望开发一种可以模拟地球全重力，并使用单一火箭就可以发射的空间站结构。

正在讨论的项目是“单次发射的千米级空间结构”，该项目最初于去年被NIAC项目接纳。在过去的一年里，他们成功地完成了一个第一阶段的项目，在这个项目中，他们“分析了一个类似于月球门户的任务概念”，可以部署到一个千米长的结构中。作为该计划的一部分，这个由芝加哥州立大学的扎克·曼彻斯特教授和威斯康星大学的杰弗里·利普顿领导的团队已经达到了NASA的预期，最近被接纳为2022年NIAC研究员。

不过，这并不是NIAC第一个在太空中设计大型结构的项目。在2021年曾经有大约12个NIAC资助的项目，这些项目将利用新的超材料在太空中大幅扩大其尺寸。美国国家航空航天局并不是唯一一个为此技术提供支持的国家，中国国家科学基金会也已经为开发一公里大小的物体提供了资金的支持。

这样的大型结构需要大量投资，但它们也有巨大的潜在收益。利用离心力达到地球引力有两种选择：要么旋转得非常非常快，要么有一个非常非常大的旋转轴。不幸的是，人类，作为“一袋软软的水”，真的不喜欢长时间高速旋转。科学研究表明，令人不适的转速限制在每分钟3转左右。因此，要想以低于每分钟3转的速度旋转，同时仍能享受到相当于整个地球的模拟重力，这个结构本身必须有一千米长。

到目前为止，在一次火箭发射中装入这么多材料是不可能的。但是，曼彻斯特博士和他的团队认为，他们已经找到了解决这个不可能问题的潜在方法 —— 一种“高扩张比可部署结构”，简称为“HERDS”。HERDS本身利用了两种新的机械创新 —— 剪切拉胀材料和分支剪式机构。

上图：来自NIAC关于千米尺度结构的演示幻灯片。

剪切拉胀材料是一种新型的超材料，当它以手性模式拉动时会膨胀。手性的程度也可以控制材料的刚度。在机器人应用中，它们作为线性驱动器和夹持器似乎越来越受欢迎，但它们在太空中的使用案例还有待证明。

分支剪式机构是另一种从紧凑结构展开更大结构的方法。最初由youtube用户和艺术家亨利·塞格曼（Henry Segerman）开发，分支剪式机构可以从更紧凑的结构迅速变成更大的结构。但是，这种结构也还没有在太空中使用过。

理想情况下，这两个系统中的一个或两个都可以创建一个千米规模的空间栖息地结构，能够以足够模拟地球重力的速度旋转。曼彻斯特博士、利普顿博士和他们的团队认为，他们可以利用这些技术制造管状结构，将其封装在火箭整流罩中。需要时，这种结构则可以扩展到其尺寸的150倍。这是一个雄心勃勃的目标，但他们有时间和资金来实现它。在为期两年的NIAC研究期结束时，如果这个想法足够充实，这些新技术将被整合到月球门户的计划中。

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