太空中的“失重”和“超重”

韓吉辰

1969年7月21日，月球上第一次出現(xiàn)了人類的腳印。美國(guó)宇航員尼爾·阿姆斯特朗身穿著十分臃腫的宇航服，跳躍式前進(jìn)，進(jìn)行一番月宮探險(xiǎn)。你知道這件宇航服重量是多少嗎?在地球上連氧氣背包一共有100多千克重。要是在地球上面，穿上它真是舉步艱難?？墒窃谠虑蛏嫌詈絾T卻很輕松，原來(lái)，這件沉重的宇航服在月球上面，變得只有不到20千克重了。

奇妙的失重世界

我們知道，物體的重量是由于地球?qū)ξ矬w的吸引力而產(chǎn)生的，這時(shí)物體受到的力叫做“重力”。

需要指出的是：物體的“質(zhì)量”是固定數(shù)值，不會(huì)隨位置而改變，而物體的“重量”數(shù)值則會(huì)有所變化。同一物體在地球赤道上的重量比在兩極要小一些；在同一地方離開地面越高，則重量越輕，每升高1千米，重量大約減輕萬(wàn)分之三。如果物體升高到6400千米(這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于地球半徑)時(shí)，物體的重量只有原來(lái)的1/4，如果繼續(xù)升高則地球?qū)ξ矬w的引力越來(lái)越小，最后將失去了重量，這一系列的變化就是失重現(xiàn)象。

除了高度影響重量外，運(yùn)動(dòng)速度也能改變重量。坐電梯時(shí)，當(dāng)開始快速下降時(shí)，有一種“提心吊膽”的感覺，啟動(dòng)速度越快，感覺越強(qiáng)烈。如果你站在電梯中的臺(tái)秤上，就可以發(fā)現(xiàn)：體重?cái)?shù)值變小了!這也是一種失重現(xiàn)象。設(shè)想電梯鋼索斷裂而自由下落(當(dāng)然實(shí)際不會(huì)發(fā)生)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：臺(tái)秤上顯示你的體重?cái)?shù)值等于0，這時(shí)就是“完全失重”了。

圓周運(yùn)動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，游樂場(chǎng)的高速“過(guò)山車”以及各種航天器都是利用這個(gè)原理。當(dāng)飛行速度達(dá)到7.9千米/秒，就會(huì)在地球引力作用下圍繞地球運(yùn)動(dòng)而不掉下來(lái)。這時(shí)地球的引力正好等于航天器圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，這個(gè)速度叫做“第一宇宙速度”。

“失重空間”打造“太空合金”

失重也是一種極其寶貴的資源。人們可以利用太空中的失重條件，生產(chǎn)在地球上無(wú)法獲得的新型產(chǎn)品。目前，這樣的工廠已經(jīng)涉及到制藥、冶金、電子和機(jī)械制造等領(lǐng)域，而且正在向更為廣闊的方向發(fā)展。

在太空中，由于排除了重力的作用，人們就可以提取在地面上無(wú)法提取的疫苗和干擾素。一些合金，例如鋁鎢合金，在地面上受到重力影響，始終沒有取得成功。其原因就因?yàn)樗鼈兪莾煞N不同性質(zhì)的金屬材料，很難進(jìn)行化合。鋁是輕金屬，熔點(diǎn)僅有660℃，沸點(diǎn)也只有2467℃；鎢是重金屬，熔點(diǎn)高達(dá)3380℃，是地球上最難熔化的金屬之一。若要把鋁和鎢放在一起熔煉，鎢還呈現(xiàn)固體形態(tài)時(shí)，鋁就早已氣化了。即使把它們分別熔化，也不能融合在一起，而是呈現(xiàn)不同的層次。如果把這兩種金屬轉(zhuǎn)移到失重空間進(jìn)行冶煉，固體鎢在鋁液中均勻融解。熔化的金屬經(jīng)過(guò)冷卻后，便得到帶有孔隙的海綿狀的鋁鎢合金。失重空間里還能得到高純度半導(dǎo)體材料和理想圓度的軸承滾珠。

不可忽視的超重現(xiàn)象

在坐電梯加速上升時(shí)，你會(huì)感到血液向下涌去，有一種受到壓力的感覺。如果這時(shí)你站在臺(tái)秤上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)你的體重?cái)?shù)值會(huì)有所增加，這就是所謂的超重現(xiàn)象。

在載人航天活動(dòng)中，超重現(xiàn)象主要發(fā)生在航天器的發(fā)射和返回階段中。巨型三級(jí)火箭要把航天器加速到第一宇宙速度，在加速過(guò)程中，載人航天器中的設(shè)備和航天員，都會(huì)產(chǎn)生超重現(xiàn)象。同樣道理，載人航天器在返回地面時(shí)，需要從第一宇宙速度急速降低，這時(shí)宇航員又一次進(jìn)入超重狀態(tài)。

宇航員必須接受嚴(yán)格的超重訓(xùn)練，在正常環(huán)境中，我們承受一個(gè)G的重力，在這里用G表示地球表面重力加速度，數(shù)值為9.8米/秒²。宇航員一般要進(jìn)行承受3G～4G，最高8G的“超重”訓(xùn)練。利用大型離心機(jī)，甚至可以達(dá)到10G的效果。

早期運(yùn)載火箭每級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)間比較短，所達(dá)到的加速度峰值較高，是7G～9G的數(shù)值，對(duì)于航天器設(shè)備帶來(lái)?yè)p壞，宇航員也難以承受。后來(lái)隨著航天技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射和返回時(shí)的超重現(xiàn)象有所減輕，一般不超過(guò)5G的數(shù)值。尤其是航天飛機(jī)條件更好了，不但經(jīng)過(guò)特殊訓(xùn)練的宇航員完全可以適應(yīng)，一般健康的人也可以乘坐。

兄弟行星的重力

如果宇航器在到達(dá)衛(wèi)星軌道的“第一宇宙速度”以后，它的速度繼續(xù)加快，當(dāng)達(dá)到11.2千米/秒時(shí)，地球的引力就拉不住它了，宇航器就可以脫離地球，這時(shí)的速度稱為“第二宇宙速度”。自從1961年以來(lái)，人類已經(jīng)多次發(fā)射無(wú)人宇宙飛船，探測(cè)了金星、火星、水星和木星等。不久的將來(lái)，人類還要親自登門“拜訪”這些兄弟行星。

前面提到，100多千克的宇航服，在月球上僅有近20千克重，那是因?yàn)樵虑虻囊χ挥械厍虻?/6。但是，如果穿這件宇航服，到了兄弟行星上面，將會(huì)有多重呢?科學(xué)家經(jīng)過(guò)仔細(xì)測(cè)量研究，主要是根據(jù)行星的質(zhì)量及球體半徑進(jìn)行計(jì)算，然后告訴了我們這些數(shù)據(jù)：在地球上1千克重的物體，到了水星僅有0.37千克重；到了金星有0.88千克重；到了火星有0.38千克重；到了木星有2.64千克重；到了土星有1.15千克重；到了天王星有1.17千克重；到了海王星有1.18千克重；而到了冥王星時(shí)，僅有0.05千克重了。

可見，即使我們前去拜訪重力較小的水星或火星，這件宇航服也有近40于克重，象個(gè)沉重的包袱，絕不會(huì)像在月球上那樣輕松了。因此科學(xué)家面臨的一個(gè)重要課題就是研制高性能而重量輕的“火星服”，標(biāo)準(zhǔn)是在地球上的重量不能超過(guò)45千克重。

如果冒險(xiǎn)前去木星探險(xiǎn)，那可了不得啦!這件“登月宇航服”就會(huì)把宇航員壓垮(它將變成將近300千克重)，而且宇航員本身的體重也會(huì)變重，如果80千克的體重，在木星上面就會(huì)變成200多千克重的“巨胖”。這是一個(gè)宇宙航行探險(xiǎn)中必須解決的一個(gè)難題。

還有的讀者會(huì)問(wèn)：太陽(yáng)上的重力是多少呢?太陽(yáng)是整個(gè)太陽(yáng)系的中心，表面溫度就達(dá)6000℃，因此任何航天器都到不了那里。根據(jù)研究計(jì)算，太陽(yáng)表面的重力很大，地球上1千克重的物體在太陽(yáng)表面是28千克重!

太空站的“人造重力”

有人也許會(huì)認(rèn)為：還是失重好!輕飄飄跟神仙似的。其實(shí)不對(duì)，我們長(zhǎng)期生長(zhǎng)在地球上，已經(jīng)適應(yīng)有引力的生活。如果在太空站長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)，將會(huì)產(chǎn)生骨骼損耗及免疫系統(tǒng)失調(diào)等一系列問(wèn)題，有損人體健康。

現(xiàn)在國(guó)際太空“空間站”上，已經(jīng)有多名宇航員在工作，美國(guó)航空航天局目前用于減輕零重力對(duì)人體影響的方法，主要是內(nèi)服藥物和進(jìn)行適應(yīng)性鍛煉，還有身穿“抗荷服”，這是一種可充氣的緊身褲，在褲內(nèi)有很多側(cè)管，管內(nèi)充氣時(shí)可以壓迫下肢的靜脈，防止血液潴留，促使全身血液循環(huán)。但是，目前還不知道應(yīng)用上述措施是否能順利完成持續(xù)一年以上的火星探險(xiǎn)任務(wù)。因此科學(xué)家必須考慮在太空站制造“人造重力”的問(wèn)題。

制造“人造重力”，從理論上說(shuō)并不復(fù)雜，就是旋轉(zhuǎn)——讓空間站和飛向火星的飛船繞自身軸‘旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這時(shí)宇航員有被向外甩出的趨勢(shì)，而空間站和宇宙飛船的內(nèi)壁阻擋著他，宇航員就對(duì)內(nèi)壁有了壓力，與在地球上有“重力”的感覺相近，這就是制造“人造重力”的簡(jiǎn)單原理。

科學(xué)家計(jì)算后描述，一個(gè)直徑450米的圓柱型空間站，如果一分鐘繞軸自轉(zhuǎn)兩周，在內(nèi)壁產(chǎn)生的“人造重力”幾乎與地球相似。如果這個(gè)空間站有1千米高，那么內(nèi)壁面積可超過(guò)1平方千米，能夠容納1萬(wàn)人居住。

如果一個(gè)直徑1800米的球型太空“空間站”，每分鐘繞軸心自轉(zhuǎn)1周；你居住在內(nèi)壁“赤道”地區(qū)，那里的“人造重力”也會(huì)和地球差不多；倘若你到了空間站北緯60度的地方，你會(huì)吃驚地發(fā)現(xiàn)體重減輕了一半；假如你到了北緯80度，就仿佛到了月球，體重只有1/6啦!一跺腳就登上高臺(tái)；要是到了太空站的“北極”，引力等于零，你又要嘗到“飄飄欲仙”失重的滋味了。

宇航時(shí)代的重力之謎十分復(fù)雜，對(duì)于人類飛向太空又極其重要，這個(gè)課題還等待我們繼續(xù)深入地進(jìn)行研究呢!(文章代碼：2009)

責(zé)任編輯龐云