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中国微重力卫星升天,说说大家对微重力的几大误解!

导语:2016年4月6日凌晨,中国微重力卫星“实践十号”成功升空,其目的是利用太空中的微重力环境进行科学研究。问题来了,太空不都是失重环境吗?这个微重力又是怎么回事?

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2016年4月6日凌晨,中国微重力卫星“实践十号”成功升空,其目的是利用太空中的微重力环境进行科学研究。

问题来了,太空不都是失重环境吗?这个微重力又是怎么回事?还有,在微重力环境下,有哪些神奇的效应?

微重力环境下的大不同

太空环境与地面截然不同,很多地面上的经验决不能轻易照搬到太空,否则将可能带来灾难。而人类要进军太空,就要深入研究太空微重力环境下各种与众不同的现象,并掌握其规律以便在生命科学、材料科学等方面获得新突破。

图为NASA在国际空间站上做的燃料实验,火焰呈球形。图为NASA在国际空间站上做的燃料实验,火焰呈球形。
蜡烛的火焰在地面和太空中区别。蜡烛的火焰在地面和太空中区别。

美国阿波罗登月计划中,阿波罗12号曾发生电线短路并引发火灾,还好没有影响到任务。而阿波罗13号就不同了,它在前往月球的途中,距离地球大约32.2万公里时,氧气罐爆炸并导致电线起火,最终,宇航员只能无奈地对休斯顿指挥中心说了一句非常有名的话:“休斯顿,我们出问题了。”此次登月任务最终失败。

显然,航天器在太空出现火灾是致命的,我们需要深入研究微重力环境下的种种燃料现象,以此指导航天器的防火设计以及有效的灭火措施。

例如,通过研究微重力环境下的燃烧,研究人员发现了一个奇怪的现象。即,某些物质,比如庚烷液滴在燃烧时,当火焰熄灭以后,并没有停止燃烧,而是还在持续不断地“燃烧”,只是这种燃烧我们看不到火焰而已。试想,如果我们一直不知道这种现象的存在,那么有一天航天器上类似这些物质起火时,当我们以为火灾已灭,但其实还没有,后果将不堪设想。

微重力环境下,流体的表现与地面也不相同。图为NASA航天员Scott Kell在微重力环境下做的水球“乒乓”展示。两个拍子击打水球,就像打乒乓球。微重力环境下,流体的表现与地面也不相同。图为NASA航天员Scott Kell在微重力环境下做的水球“乒乓”展示。两个拍子击打水球,就像打乒乓球。
水球滴入颜料后立即变色。水球滴入颜料后立即变色。
水球中加入发泡物质后,像一颗宝石般的水球开始膨胀。水球中加入发泡物质后,像一颗宝石般的水球开始膨胀。
而且水球还喷射出了一颗绿色小液滴,你看到了吗?而且水球还喷射出了一颗绿色小液滴,你看到了吗?

失重与微重力

当我们站立时会受到向下的地心引力,还有向上的支撑力。那么,平时我们感觉到自己有多重时,这种感觉到底是来自地心引力,还是来自支撑力?

显然,答案是来自支撑力。

那这是不是说,如果失去支撑,我们就将失去对重力的感觉?是的,这就是我们常说的失重。

例如,一个人从高处坠落,在坠落的过程中,因为失去了支撑,所以此人将体验到类似太空中才有的失重。

既然自由坠落能产生失重,那么,空间站等航天器中的失重是否也是因为它们每时每刻都在向地面坠落的缘故?答案也是肯定的。不光人造卫星、空间站在向地球坠落,连月球也在一刻不停地向我们砸来……

我们从山顶水平扔出一块石头,此时,你能否认,这块石头没有在坠落吗?

不能。

石头虽然在水平方向前进,但这根本就没有妨碍到石头也在坠落的事实。

既然,我们不能否认上面的事实,那我们也不能否认人造卫星、空间站、月球等也在一刻不停地向地面坠落。

现在我们已经知道,要想造出失重的环境,可以让物体自由坠落,如自由坠落的电梯、飞机等。不过这只能带来短暂的失重,而各种航天器如空间站、卫星等则是长期处在失重环境,这些家伙在不停地坠落,却又一直没有掉落到地面,这真是好极了!

什么是微重力?

说完了失重的成因,现在咱们继续探讨“微重力”。

微重力就是微小的重力吗?显然不是!

我们平常说的重力是由地球引力产生的。而引力跟距离的平方成反比,所以,不少人会误认为,人造卫星所在的轨道因为距离地面比较远,因此地球对它们的引力很小,所以叫做微重力。这是不对的。

地球表面的重力加速度g≈9.8m/s^2,即一个原先静止的物体从高处坠落,1秒后速度为9.8米每秒,第二秒后速度为19.6米每秒。

众所周知,重力的大小跟重力加速度密切相关,所以,我们常用重力加速度g来衡量重力的大小。

距离地球越远,重力加速度就越小,然而,就算是在距离地面200千米的高度,重力加速度也没有降多少,大约为0.94g,而在1000千米的高度,重力加速度为0.75g。也就是说,一个物体在地面重100N,到了1000千米高度,依然受到75N的地球引力。

国际空间站离地球的距离不超过420千米,因此,它受到的地球引力并没有减少多少。实际上,我们还可以这样想,地球的半径就有6372公里,所以,类似国际空间站、天宫一号等等这样的航天器,可以说,它们几乎就在地球表面,受到的地球引力没有减少太多,这是理所当然的。

因此,如果我们把“微重力”理解为微小的重力,或者是微小的地球引力,肯定是不对的。只有当距离地球很遥远时,才会出现地球引力很小的情况,如下图:

显然,唯有距离地球几十万公里以上时,其受到的地球引力才可称之为微引力,微引力和微重力是两回事。

那么,大众媒体所说的微重力又是怎么回事呢?它是怎么产生的?

通常我们说的微重力环境,它其实跟地球引力的关系不是那么大,因为它主要是由其它外在因素造成的。

为了说明这些外在因素,咱们来举一个例子。

上文已经说,在地面附近做自由落体时,因为失去了支撑,也就失去了对重力的感觉,这就是失重。然而,咱们再仔细想想,一个跳水运动员在空中时,难道她真的就失去了所有支撑?

答案是没有,因为还有空气阻力,这个阻力会给运动员一个微小的支撑,使其还能感受到一丝极其微弱的“重力”。

同理,国际空间站、天宫一号和各种近地轨道卫星,它们在高速运行时,其实也会受到太空残余大气的阻力,并带来“微重力”。

举个极端的例子,如果国际空间站在运行的过程中,由于未知因素突然遭遇一大团极其浓密的气体,大气阻力导致其运行速度急剧变慢。此时,之前还漂浮在空间站里面的航天员,他们将会迅速往前冲去,并砸在前方的舱壁上,这个冲过去的过程,其实就跟苹果掉落并砸在牛顿身上的过程是一样的。

以上,只是说了产生微重力的一个主要因素,实际上还有别的因素,如航天器进行姿态调整时产生的推力、人员在航天器内的走动,以及重力梯度等等,在此我们不再一一细说。

从地面到太空的微重力

要想获得微重力环境,最好的当然是大型空间站。但它们通常都很贵,比如国际空间站的建造和维护成本就高达上千亿美元。而且,由于种种原因,我国并没有参与到国际空间站的建设当中,不过没关系,预计4年以后,中国就将拥有一个成熟完善的空间站。但是在这之前,使用卫星是一种相对省钱快捷的方式,比如我国今天发射的“实践十号”微重力卫星。

除了以上这些,还有那些能获得微重力环境呢?很多,比如失重飞机。

图为失重飞机在俯冲期间提供微重力环境图为失重飞机在俯冲期间提供微重力环境

很多人误认为,失重飞机只有在俯冲时才会提供微重力环境,然而并非如此。上图中,失重飞机在黄色区域有向上的加速度。此时,飞机内是超重环境,这跟你坐电梯快速上升,或者是电梯快速下降后急剧减速一样,都会感觉自己变重了。而蓝色阶段为失重(微重力环境)阶段,为什么上升还会有失重呢?如下图:

人造卫星的轨道为一个椭圆,但是,如果你从局部去看,如上图两个绿色箭头所指的那一段,是不是就是一个抛物线呢?而失重飞机就是特意营造了这么一个抛物线轨道,这个小抛物线轨道,你可以认为是飞机短暂地变成了一颗人造卫星,并短暂地环绕地球飞行。

现在的失重飞机不但面向各国的科研单位开放,还面向众多想体验失重的普通人,当然,体验价格不菲。某运营失重飞行的公司为了宣传,不但把霍金弄上天过了一把瘾,还把一位著名模特请上天失重了一回。

除了失重飞机,其实还有一种更简便的方式,那就是从高处直接砸下来,简单又粗暴,快捷又方便,这就是微重力落塔。

图为中国科学院力学研究所的落塔,它是继德国Bremen落塔之后世界上第二座在地面上建成的超百米落塔,高116米,可获得3.60秒的微重力时间。图为中国科学院力学研究所的落塔,它是继德国Bremen落塔之后世界上第二座在地面上建成的超百米落塔,高116米,可获得3.60秒的微重力时间。
德国Bremen落塔,高123米,可获得至少4.74秒的微重力时间。德国Bremen落塔,高123米,可获得至少4.74秒的微重力时间。
除了科学研究功能,德国Bremen落塔也是一道亮丽的风景线除了科学研究功能,德国Bremen落塔也是一道亮丽的风景线

(也许是他们比较会照相)

“实践十号”是一颗技术要求较高的返回式卫星,也是中国科学卫星系列中,继暗物质探测卫星“悟空”之后,发射的第二颗卫星。在太空的这段时间里,它将进行微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学等实验。

祝愿它圆满完成任务!

参考资料:

1.《空间微重力燃烧研究现状与展望》 张璐 刘迎春

2. Micro-g environment wiki

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