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科学新闻

太空旅行中的失重问题

At 9:22 Beijing time on June 17, 2021, the Long March-2F-12 carrier rocket carrying the Shenzhou-12 manned spacecraft blasted off from the Jiuquan Satellite Launch Center, successfully sending three astronauts, Nie Haisheng, Liu Boming and Tang Hongbo into space. At 18:48 Beijing time on June 17, 2021, three astronauts successively entered the Tianhe core module, marking the first time that Chinese people entered their own space station.

北京时间2021617922分,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射,顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空。北京时间20216171848分,3名航天员先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站。

通过视频画面,人们能够观察到,在空间站中,所有的物体都处于失重状态,航天员拆包裹的时候,拆下来的包裹都悬浮在舱内。并且在失重环境中人其实没有东西南北上下左右的位置感受,而航天员又漂浮着,所以工作的时候没有坐着、站着的感觉,睡觉的时候也没有躺着的感觉。饱经训练的航天员也需要一段时间适应,他们进入空间站的第一天,因为工作和生理的短暂不适应,19个小时没睡觉。

看到这些画面,人们普遍对航天员感到敬佩,不过也有人却对这感到不解,为啥不解决空间站中的失重状态?这样航天员不就能休息得更好,也能更好地展开工作?

首先我们先了解一下失重的原因,原因包括两方面:一是因为重力加速度随高度的升高而降低,这是由于地球的万有引力随着高度的升高而降低,几百公里的高空的重力加速度小于地面,造成重力小于地面上的重力,但这不是主要的原因。主要原因是空间站在近似圆形的椭圆轨道上飞行,近地点远地点的高度都在400公里左右,近地点时的速度接近第一宇宙速度,这样的圆周运动中,地球的引力恰好提供了圆周运动的向心力,所以空间站中的物体基本处于失重状态(仍有加速度,只是加速度表现为改变速度方向的向心加速度,而不是改变速度大小的重力加速度)。

了解了失重的原因,接下来就来分析一下大家最关心的问题:为什么不模拟重力环境,解决失重问题?原因之一是空间站就是这么一种在轨的实验平台,恰恰因为失重,在空间站中可以进行很多地球重力影响中无法进行的实验,在空间站中专家们要进行生物生理、物理、化学等多类学科的实验,一些小实验比如失重状态下物质燃烧特性、物质粒子的自由扩散运动等,虽然很简单,却有助于材料等学科科技的发展。

最大的原因是模拟重力的代价很大。从等效的角度来讲,只要能让人在空间站上感受到与地球上等同的重力作用就行了。理论上讲,只要让空间站绕一个中心点做匀速圆周运动就可以了,匀速圆周运动需要一个向心力,如果向心力正好等于地球表面的重力,那么失重的问题就解决了。这种办法容易实现吗?先来假设我们的空间站绕中心转动的半径为10米(小了点,为了方便计算),根据向心加速度的公式,可以计算得空间站只需大约10m/s的转动速度就可以了。这一点并不难实现,并且在太空中没有空气阻力,也就不需要持续消耗燃料来维持这种匀速转动。这种空间站模型类似于离心机,航天员在地面训练的时候,就需要经历离心机训练,主要是训练航天员在超重也就是过载情况下的耐受力和思维判断能力等。如果让空间站也像离心机那样绕一个中心点转动,那确实可以产生模拟重力。

很多科幻电影中的飞船就设计成这种形状!没错,见下图所示,由几个舱室组成一个圆环,飞船正是通过绕着这个圆环的中心旋转来实现对重力的模拟。向心力由相连舱室间的相互牵引提供。人在舱内行走相对于飞船的旋转平面是平行的。看似有些别扭,但实际上,人类在太空中的方向感会和在地球上没有什么不同——苹果落下的方向就是下。

可是这种方法目前也是不现实的,就像地面上的离心机,要模拟一定强度的重力,离心机需要较大半径,还需要特殊的连接方式,建设一个这么大的空间站,对火箭的运载能力要求很大。而且还会产生另一个影响,那就是角动量的问题,人拿着一个大陀螺,陀螺转动,人坐在一个可以转动的椅子上,摆动陀螺的人在椅子上旋转的方向就会变化,如果把空间站建成那么大一个旋转的装置,所产生的力学影响就很大,空间站就需要频繁加注燃料,目前还不适合搞这东西。

所以说,空间站上的失重问题现代解决不了,不是原理的问题,而是能源和运载能力的问题。相信在未来,人类一定能解决太空旅行中的失重问题,人类也会向更远的宇宙不断探索。



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