人工重力

人工重力 （ 疑似 重力と呼ばれることもあります）は、通常は回転による重力の効果を模倣する慣性力の作成です。したがって、人工重力、または回転重力は、線形加速度で受ける力とは対照的に、回転基準系での遠心力の出現（非回転基準系での垂直力を介した求心加速度の伝達）です。これは等価原理により重力と区別できません。より一般的な意味では、「人工重力」は、例えばロケットエンジンによる線形加速の効果を指す場合もあります。

宇宙飛行士が極端な状況に向けて訓練するのを支援するために、シミュレーションで回転シミュレーション重力が使用されています。回転するシミュレートされた重力は、長時間の無重力によって引き起こされる健康への悪影響に対する人間の宇宙飛行の解決策として提案されています。しかし、地球上の重力場の強さに匹敵する有用な求心力を生成するために必要な宇宙船のサイズとコストに関する懸念のために、人間のための人工重力の現在の実用的な宇宙への応用はありません（g）。

求心性

求心力を使用して、人工重力を作成できます。物体が円形の経路を移動するには、回転の中心に向かう求心力が必要です。回転宇宙ステーションのコンテキストでは、求心力として作用するのは宇宙船の船体によって提供される垂直力です。したがって、物体が感じる「重力」の力は、船体に向かって「下向き」を指していると参照の回転フレームで知覚される遠心力です。ニュートンの第三法則によれば、小さなg （知覚される「下向きの」加速度）の値は、大きさが等しく、求心性加速度の方向と反対です。

機構

生息地とともに回転する人々の観点から見ると、回転による人為的な重力は、通常の重力と同様に動作しますが、次の違いがあります。

• 遠心力は距離に応じて変化します：惑星の中心に向かって引っ張る実際の重力とは異なり、生息地の観測者が感じる見かけの遠心力は中心から半径方向外側に押し出され、一定の回転速度（一定の角速度）を仮定すると、遠心力は力は生息地の中心からの距離に正比例します。回転半径が小さい場合、頭で感じる重力の量は、足で感じる重力の量とは大きく異なります。これにより、動きや体の位置の変化がぎこちなくなります。関連する物理学に従って、より遅い回転またはより大きな回転半径は、この問題を軽減または排除します。同様に、生息地の線速度は、宇宙飛行士がその中で位置を変更する相対速度よりも大幅に高くする必要があります。そうでなければ、回転の方向に移動すると、フェルトの重力が増加し（反対方向に移動すると重力が減少します）、問題が発生するはずです。
• コリオリ効果は、回転する参照フレームに対して移動するオブジェクトに作用する明らかな力を与えます。この見かけの力は、運動と回転軸に対して直角に作用し、生息地のスピンとは反対の方向に運動を曲げる傾向があります。回転する人工重力環境内の宇宙飛行士が回転軸に向かって、または回転軸から遠ざかると、彼または彼女はスピンの方向に向かって、またはスピンの方向から離れる方向に押す力を感じます。これらの力は内耳に作用し、めまい、吐き気、見当識障害を引き起こす可能性があります。回転周期を長くすると（スピン速度が遅くなり）、コリオリの力とその影響が減少します。一般に、2 rpm以下ではコリオリの力による悪影響は発生しないと考えられていますが、人間は23 rpmまでの速度に適応することが示されています。高レベルのコリオリの力への非常に長い曝露が慣れる可能性を高めることができるかどうかはまだ知られていない。コリオリの力の吐き気を誘発する効果は、頭部の動きを抑えることで緩和することもできます。

この形式の人工重力には、エンジニアリングに関する追加の問題があります。

• 運動エネルギーと角運動量：回転運動の一部またはすべての生息地はエネルギーを必要としますが、角運動量は保存する必要があります。これには、推進システムと消費可能な推進剤が必要であるか、または反動ホイールまたは場合によっては反対方向に回転する別のリビングエリアなどの電気モーターとカウンターウェイトによって、質量を消費することなく達成できます。
• 回転のために構造がバラバラにならないようにするには、構造に特別な強度が必要です。ただし、通気性のある大気（1気圧で1平方メートルあたり10トンの力）を保持するために必要な構造の量は、ほとんどの構造で比較的控えめです。
• 構造の一部が意図的に回転していない場合、摩擦や同様のトルクによりスピンの速度が収束し（そうでなければ静止した部分が回転します）、摩擦による損失を補償するためにモーターと電力を使用する必要があります。
• 互いに回転するステーションの部品間の移動可能なインターフェースには、大きな真空気密軸シールが必要です。

有人宇宙飛行

回転宇宙船を作成する工学的課題は、提案されている他のアプローチに比べて比較的控えめです。人工重力を使用した理論的な宇宙船の設計には、本質的な問題と利点を備えた多数のバリエーションがあります。求心力の式は、回転半径が宇宙船の回転周期の2乗とともに大きくなることを意味するため、周期を2倍にするには回転半径を4倍に増やす必要があります。例えば、標準的な重力を生成するために、ɡ0 = 9.80665メートル/ S2 15秒の回転宇宙船周期で、回転半径は、30秒の期間があることが、それを必要としながら、56メートル（184フィート）でなければなりません224 m（735フィート）。質量を減らすために、直径に沿ったサポートは、宇宙船の2つのセクションを接続するケーブルだけで構成することができます。考えられる解決策には、生息地モジュールと宇宙船の他のすべての部分で構成されるカウンターウェイトが含まれますが、代替として、同様の重量の2つの生息可能モジュールを互いに接続することもできます。

どんな設計を選択したとしても、宇宙船は、バラストをあるセクションから別のセクションに迅速に移動する手段を所有する必要があります。 」考えられる解決策の1つは、飲料水や廃水をバラストとして使用して、宇宙船の配管システムを設計してこの目的を果たすことです。

短期間の高重力への暴露が正常な重力への継続的な暴露と同じくらい健康に有益であるかどうかはまだ知られていない。また、無重力状態の健康への悪影響に対抗する際に、低レベルの重力がどれほど効果的であるかは不明です。 0.1 gの人工重力と30秒の回転する宇宙船周期では、半径22 m（72フィート）しか必要ありません。同様に、半径が10 mの場合、標準的な重力を生成するには6秒強の期間が必要になります（腰では重力が足で11％高くなります）が、4.5秒では2 gが生成されます。高重力に短時間さらされると無重力の有害な影響を打ち消すことができる場合、小さな遠心分離機を運動エリアとして使用できます。

Gemini 11ミッションでは、36メートルのテザーでアジェナターゲットビークルの周りにカプセルを回転させて人工重力を生成しようとしました。サイドスラスターを発射して、スローモーションのボラのように組み合わせた船をゆっくりと回転させることにより、約0.00015 gの少量の人工重力を生成することができました。結果として生じる力は小さすぎて、どちらの宇宙飛行士も感じることはできませんでしたが、カプセルの「床」に向かって動く物体が観察されました。

ジェミニ8ミッションが数分間人工重力を達成したことを指摘しておく必要があります。しかし、これは事故によるものでした。乗組員にかかる加速力は非常に高かったため（〜4g）、ミッションを緊急に終了する必要がありました。

人工重力は、宇宙飛行に関連するさまざまな健康上のリスクの解決策として提案されています。 1964年、ソビエトの宇宙計画は、心臓と血管が無重力状態に適応できなくなる恐れがあるため、人間は宇宙で14日以上生存できないと考えていました。この恐怖は、宇宙飛行が連続して最大438日間続いたために事実上根拠のないことが最終的に発見され、国際宇宙ステーションでのミッションは通常6か月続きました。しかし、宇宙での人間の安全性の問題は、無重力状態への長期暴露の物理的影響の調査を開始しました。 1991年6月、Spacelab Life Sciences 1の飛行で、9日間にわたって2人の男性と2人の女性に対して18回の実験が行われました。重力のない環境では、白血球と筋肉量の反応が減少したと結論付けられました。さらに、無重力環境で過ごした最初の24時間以内に、血液量が10％減少しました。地球に戻ると、体液が下半身に溜まり、心拍数が上昇し、血圧が低下し、運動能力が低下するため、長時間の無重力の影響が人体に影響を与え続けます。

人体の重力の挙動を模倣する能力により、人工重力は、無重力環境に固有の物理的影響と戦う最も包括的な方法の1つとして提案されています。対症療法として提案されている他の手段には、運動、食事、ペンギンスーツが含まれます。しかし、これらの方法に対する批判は、それらが健康上の問題を完全に排除するわけではなく、すべての問題に対処するためにさまざまな解決策を必要とするという事実にあります。対照的に、人工重力は宇宙旅行に固有の無重力状態を取り除きます。人工重力を実装することにより、宇宙旅行者は無重力や関連する副作用を経験する必要がなくなります。特に、火星への現代の6か月の旅行では、旅行中の宇宙飛行士への極端な衰弱を防ぐために、人工重力への暴露が連続的または断続的な形で提案されています。

多くの提案が、設計に人工重力を取り入れています。

• Discovery II：2005年の車両提案で、118日間で172トンの乗組員を木星の軌道に運ぶことができます。 1,690メートルトンの航空機のごく一部には、遠心力の乗組員ステーションが組み込まれます。
• Multi-Mission Space Exploration Vehicle（MMSEV）：2011年のNASAの長期有人宇宙輸送機の提案。これには、最大2年間のミッションで最大6人の乗組員の乗組員の健康を促進することを目的とした回転式人工重力空間の生息地が含まれていました。トーラスリング型遠心分離機は、標準の金属フレーム構造と膨張式宇宙船構造の両方を利用し、直径40フィート（12 m）のオプションで構築した場合、0.11〜0.69gを提供します。
• ISS Centrifuge Demo：Multi-Mission Space Exploration Vehicleのより大きなトーラス型遠心宇宙スペースの最終設計に向けたデモンストレーションプロジェクトに関する2011年NASA提案。この構造の外径は30フィート（9.1 m）で、リングの内部断面直径は30インチ（760 mm）です。 0.08〜0.51gの部分重力が得られます。このテストと評価の遠心分離機は、ISSクルーのスリープモジュールになる可能性があります。

• Mars Direct：1990年にNASAのエンジニアであるRobert ZubrinとDavid Bakerによって作成された有人火星ミッションの計画は、後にズブリンの1996年のThe Case for Marsで拡張されました。以前に打ち上げられた「地球帰還車」に参加するために宇宙飛行士を火星に運ぶ「火星ハビタットユニット」は、ブースターの使用済み上段をハビタットユニットに結び付け、それらを設定することにより、飛行中に人工重力が発生していました両方とも共通の軸を中心に回転します。
• 提案されたTempo3ミッションは、火星への有人ミッションで重力をシミュレートする可能性をテストするために、テザーで接続された宇宙船の半分を回転させます。
• 火星重力バイオサテライトは、哺乳類に対する人工重力の影響を研究することを目的とした提案されたミッションでした。 0.38 g （火星の表面重力に相当）の人工重力場は、回転（32 rpm、半径約30 cm）によって生成されます。 15匹のネズミは、5週間地球を周回し（低地球軌道）、生きたまま着陸します。ただし、NASAでの資金不足と優先順位の変更により、プログラムは2009年6月24日にキャンセルされました。

宇宙飛行で人工重力が今日も使用されない理由のいくつかは、実装に固有の問題にまでさかのぼります。人工重力を作成する現実的な方法の1つは、人を相対的な床に引き寄せる求心力です。ただし、そのモデルでは、宇宙船のサイズに問題が発生します。ジョン・ペイジとマシュー・フランシスが表したように、宇宙船が小さければ小さいほど、必要な回転はより速くなります。そのため、重力をシミュレートするには、非常にゆっくり回転する大型の宇宙船を利用する方が理想的です。回転と比較したサイズの要件は、回転がきつすぎる場合に体が受けることができる力の大きさが異なるためです。さらに、宇宙船の軌道全体の安定性を乱すことなく、最初に回転運動を適切に設定する最善の方法についての疑問が残ります。現時点では、ローテーションの要件を満たすのに十分な大きさの船はなく、そのような船の建設、維持、打ち上げに関連する費用は膨大です。

一般に、短い宇宙飛行での限られた健康への影響と高い研究コストにより、人工重力の適用はしばしば抑制され散発的です。

いくつかのSF小説、映画、およびシリーズでは、人工重力生産が取り上げられています。映画2001：A Space Odysseyでは、 ディスカバリー宇宙船の回転遠心分離機が人工重力を提供します。小説The Martianでは、 エルメスの宇宙船は設計により人工重力を実現しています。環状構造を採用しており、その周囲では、火星の重力と同様に、地球の重力の約40％の周辺力が発生します。映画「 Interstellar」は、船のレトロなスラスタによって制御される、人工重力を作成するために中心軸を中心に回転できるEnduranceと呼ばれる宇宙船を特徴としています。

遠心分離機

High-Gトレーニングは、大きな半径の遠心分離機で高レベルの加速（「G」）にさらされる飛行士と宇宙飛行士によって行われます。これは、 gによって引き起こされる意識の喪失 （G-LOCと略す）を防ぐように設計されています。これは、意識が失われる程度までgの力で血液を脳から遠ざける状況です。加速によって引き起こされる意識喪失は、高gを相当な期間維持できる航空機で致命的な事故を引き起こしました。

遊園地では、振り子乗りと遠心分離機が回転力を提供します。ローラーコースターは、水滴、こぶ、またはループを通過するたびに行います。丘を越えるとき、無重力または負の重力が感じられる時間は「空中時間」または「空中時間」と呼ばれ、「フローター空中時間」（無重力の場合）と「排出機空中時間」（負の重力の場合） ）。

線形加速

直線加速度は、低いレベルであっても、有用な利点を提供するのに十分なgフォースを提供できます。直線で一定の加速下にある宇宙船は、加速とは反対の方向に重力が引かれているように見えます。ゆるい物体を宇宙船の船体に向かって「落下」させるこの「引き」は、ニュートンの最初の法則に従って、実際には宇宙船内の物体の慣性の現れです。さらに、宇宙船の船体に押し付けられた物体が感じる「重力」は、ニュートンの第三法則に従って、物体の船体の加速力に反応する船体の物体の反力であり、上記のように回転する宇宙船の船体に押し付けられたオブジェクトへの影響。回転に基づく人工重力とは異なり、線形加速は、宇宙船全体で均一であり、追加の架空の力の不利な点のない重力場の外観を与えます。

一部の化学反応ロケットは、少なくとも一時的に地球の重力を克服するのに十分な加速を提供できるため、線形加速を提供して地球の重力をエミュレートできます。ただし、このようなロケットはすべて、反動質量を放出することによってこの加速を提供するため、ロケット燃料の限られた供給が費やされるまで、そのような加速は一時的なものにすぎません。

それにもかかわらず、人工重力を提供することに加えて、理論的には太陽系の周りの比較的短い飛行時間を提供できるため、一定の線形加速が望ましい。連続加速度1gをサポートすることができる推進技術が利用可能であった場合、例えば、1 gで加速（及びその後の旅の後半のための減速）宇宙船は、数日以内に火星に到達します。同様に、1 gの一定の加速度を1年間使用する仮想宇宙旅行は相対論的な速度に達し、最も近い星であるプロキシマケンタウリへの往復を可能にします。

そのため、さまざまな惑星間ミッションで、低インパルスで長期の線形加速が提案されています。たとえば、火星への重い（100トン）貨物ペイロードでも27か月で火星に輸送でき、火星軌道に到着するとLEO車両の質量の約55％を保持し、全体の間に宇宙船に低重力勾配を提供します旅。

比推力が非常に高い推進システム（つまり、旅行中の推進に沿って運ばれ、推進に使用される反応質量の使用効率が良い）は、よりゆっくりと加速して、長期間にわたって有用なレベルの人工重力を生成できます。さまざまな電気推進システムの例があります。宇宙船で実際に使用されているか、短期的な宇宙での使用が計画されているこの長期低推力高インパルス推進の2つの例は、ホール効果スラスタと可変固有インパルスマグネトプラズマロケット（VASIMR）です。どちらも非常に高い比推力を提供しますが、より一般的な化学反応ロケットに比べて推力は比較的低くなります。したがって、それらは、宇宙船の人工重力の量は限られているが長期的にはミリグラムレベルを提供する長時間の発射に理想的に適しています。

多くのSFプロットで、加速は、まだ理論的または仮説的な手段によって推進される、星間宇宙船の人工重力を生成するために使用されます。

線形加速のこの効果はよく理解されており、上段ロケットの発射後（後続）の宇宙での発射のための0 g極低温流体管理に日常的に使用されています。

ジェットコースター、特に打ち上げられたジェットコースターまたは電磁推進に依存するコースターは、直線加速度の「重力」を提供できるため、スポーツカーなどの比較的高加速の車両も可能です。直線加速を使用して、ジェットコースターやその他のスリルに乗る時間を提供できます。

無重力/浮揚

反磁性

反磁性により、重力と同様の効果を生み出すことができます。非常に強力な磁場を持つ磁石が必要です。そのようなデバイスは、せいぜい小さなマウスを浮上させることができ、1 gのフィールドを生成して地球のフィールドをキャンセルします。

十分に強力な磁石には、超伝導を維持するための高価な極低温剤または数メガワットの電力が必要です。

このような非常に強い磁場では、人間での使用に対する安全性は不明確です。さらに、反磁性を明らかにするために必要な強磁場の近くの強磁性体または常磁性体を避ける必要があります。

反磁性を使用する施設は、地球上の低重力条件をシミュレートする実験室で実行可能であることが証明される場合があります。マウスは地球の重力に逆らって浮上し、微小重力に似た状態を作り出しています。小さいモデル生物で月または火星の重力に似た状態をシミュレートするために、より低い力を生成することもできます。

放物線飛行

Weightless Wonderは、放物線軌道を飛行し、宇宙飛行士を訓練し、研究を行い、映画を撮影するためのほぼ無重力の環境を簡潔に提供するNASA航空機のニックネームです。放物線の軌跡は、重力に一致する垂直線形加速度を作成し、短時間（通常は20〜30秒）にゼロgを与え、その後、同様の期間に約1.8 gを与えます。また、Vomit Cometというニックネームは、これらの放物線軌道中に航空機の乗客がよく経験する乗り物酔いを指すためにも使用されます。このような低重力航空機は現在、世界中のいくつかの組織によって運用されています。

中立浮力

中立浮力研究所 （NBL）は、テキサス州ヒューストンのNASAジョンソン宇宙センターにあるソニーカーター訓練施設などの宇宙飛行士訓練施設です。 NBLは世界最大の大きな屋内プールで、宇宙飛行士は宇宙ミッションに備えてEVAのシミュレーションタスクを実行できます。 NBLには、スペースシャトルの貨物室、フライトペイロード、および国際宇宙ステーション（ISS）のフルサイズのモックアップが含まれています。

中立浮力の原理は、宇宙の無重力環境をシミュレートするために使用されます。適切な宇宙飛行士は天井クレーンを使用してプールに降ろされ、重さの周りで浮力と回転モーメントが発生しないように、サポートダイバーによって体重が調整されます。 NBLで着用されるスーツは、スペースシャトルや国際宇宙ステーションで使用されているような、完全に飛行定格のEMUスーツからダウンレートされています。

NBLタンクは、長さ202フィート（62 m）、幅102フィート（31 m）、深さ40フィート6インチ（12.34 m）で、620万ガロン（2350万リットル）の水が含まれています。ダイバーは、タンクでの作業中にナイトロックスを吸います。

内耳のバランス器官は依然として重力の上下方向を感知するため、プールの中立浮力は無重力ではありません。また、水にはかなりの量の抵抗があります。一般的に、水中でゆっくりとタスクを実行することにより、ドラッグ効果が最小限に抑えられます。プールでの中立浮力シミュレーションと宇宙飛行中の実際のEVAのもう1つの違いは、プールの温度と照明条件が一定に維持されることです。

投機的または架空のメカニズム

サイエンスフィクションでは、人工重力（または重力の相殺）または「準重力」が、回転も加速もしていない宇宙船に時々存在します。現時点では、実際の質量または加速度以外の重力をシミュレートできる手法は確認されていません。このようなデバイスの長年にわたって多くの主張がありました。ロシアのエンジニアであるユージン・ポドクレトノフは、1990年代初頭から、強力な「重力磁場」を生成する回転超伝導体で構成されるデバイスを製造したと主張しましたが、第三者からの検証や否定的な結果さえありませんでした。 2006年、ESAの資金提供を受けた研究グループは、0.0001 gしか生成しなかったものの、重力磁気の生成に肯定的な結果を示した同様のデバイスを作成したと主張しました。この結果は再現されていません。