以匀强磁场对带电物体作用 力为基础的人造重力系统设想 及其相关研究PB04207079 童景 PB04207018 贾耿介指导老师： 万树德生命科学学院一.问题回顾二十世纪五十年代以来,如何在微重力的太空环境下 构建人造重力系统一直是科学家与航天工程师们努力探 索的问题. 目前比较成熟而现实的方案是通过利用飞行器绕轴旋 转产生的向心力来提供类似的“重力” 传统的设计方案多设计为“轮胎”或“圆筒”状.这些设计方案具有诸多优点,但同样存在众多无法回避 的问题与障碍1．结构复杂，设备笨重.2. 耗能巨大,维护困难. 3.由于生理影响方面的原因,旋转半径不可过小,但以目 前的技术水平而言,没有能力支撑建造巨型系统4. 飞行器的部分旋转将严重影响其整体的平衡性 我们有必要设计新的人造重力系统.二.基本结构平行共轴线圈组 + 球形太空舱及轨道三.系统工作简介系统启动后, 平行线圈开始通过相同方向的电流, 并逐渐增强.线圈轴线及附近将逐渐聚集强大的磁场 能,产生稳定的强匀强磁场.利用运行导轨上的尖端放电装置使太空舱外壳带 电,太空舱具有一定初始速度后即可使在洛伦兹力作 用下做匀速圆周运动,产生人造重力. 四.具体技术实现1 空间匀强磁场的产生平行共轴线圈的基本环状 结构由钠米复合碳纤维材料 构成, 环状结构上缠绕(或内嵌) 有N匝超导材料制成的线圈( 如钇系氧化物超导体制成线 材等) 表层铺设有高效光电转换薄膜.横截面为弧形月牙状,保证太阳光无论从哪个方向射来, 薄膜整体受光面积均可接近50%.线圈基本环状结构横截面.根据毕奥-萨伐尔定律 若仅有一个线圈若有两个平行等大线圈中心O处磁感应强度B0为更复杂的理论计算表明使用三个或以上的平行线圈, 并适当改变其相对距离与大小,可获得更广且更稳定的 匀强磁场.经简单估算,可得匀强磁场大小约在10T到 900T之间2 飞行器结构与旋转轨道设计当系统运转时,通过与引导舱相连接的设备实现尖端放 电,即可使导体球壳带有电荷 设旋转半径为r,带电量为C,则可知:太空舱做圆周运动时, 向心加速度应与重力加速度g相 等:经过简单的代数估算,可知若需使一12吨的太空舱做 半径200米的圆周运动,所需空间磁场约300T,轨道由轻质材料制成.通过固定轴连接.导轨上设有 尖端放电装置,可使太空舱带电.安装多组导轨，通过简单的变轨可使太空舱改变旋转 半径，调节所需的向心加速度值.右图为太空舱与导轨连 接的横截面视图．五.相关技术支持1.维生系统. 外壳须采用合适的防护材料,屏蔽磁场可 能对宇航员构成的危害. 2.薄膜隔离. 通过加设薄膜隔离层的办法屏蔽空间带 电粒子与射线的干扰3.高强磁场. 空间大规模应用超导线圈还需要技术的进 一步发展成熟六.优势总结1.结构简单,成本较低. 尤其将大大节省巨额的轨道发射 费用与维修费用 2. 向心加速度可自由改变. 4.技术较成熟,前景广阔. 3.太空舱与导轨保持有限连接, 几乎不会影响整体的 平衡性.本人造重力系统可以应用于未来的行星际载人宇 宙飞船上，同样也适用于近地轨道的大型空间站或在 轨飞行器．由于我们所掌握的背景知识很有限，因此本方案 一定还存在不少问题与局限．但我们相信，这个方 案将能够为该领域的研究提供一个新的方向．基于电磁原理的人造重力系统,值得未来的航天科 学进行深入的研究与探索. 人类最终实现廉价，稳定，安全的“太空重力”的时 代一定会到来．谢谢大家。