卜春彥

(吉林大學(xué)物理學(xué)院　吉林 長(zhǎng)春　130023)

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宇航員失重問(wèn)題的再探討

卜春彥

(吉林大學(xué)物理學(xué)院吉林 長(zhǎng)春130023)

介紹了完全失重與微重力的概念，重新剖析了宇航員失重的真正原因.

宇航員微重力完全失重精確度大氣層

1　宇航員失重問(wèn)題的分析

完全失重即物體的視重為零，例如自由下落(平拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)等)的物體重力提供了物體向下的加速度，以該物體為參照系是處于完全失重狀態(tài)，以地面為參照系重力是地球引力與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力，重力為mg.人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站、航天飛機(jī)等航天器進(jìn)入軌道后，如果只從萬(wàn)有引力的角度出發(fā)，就是廣義相對(duì)論所講的局域慣性系，物體在航天器中就好像沒(méi)有萬(wàn)有引力一樣，不需要支持物提供支持力就可以相對(duì)航天器靜止，即處于失重狀態(tài).

為了討論宇航員失重問(wèn)題，我們寫(xiě)出牛頓第二定律

f=ma

(1)

這里m為宇航員的質(zhì)量，f為宇航員所受地球之萬(wàn)有引力，a為宇航員在地心坐標(biāo)系加速度矢量.于是，我們有

(2)

(3)

由于宇宙飛船在地心坐標(biāo)系有加速度a，于是宇宙飛船里便有慣性力場(chǎng)存在，其慣性力場(chǎng)強(qiáng)度為-a，則

(4)

宇航員在宇宙飛船里即受萬(wàn)有引力作用又受慣性力f′作用

(5)

f+f′= 0，即f-ma=0.即宇航員所受合力為零，即宇航員失重了. 在宇宙飛船里用彈簧測(cè)力計(jì)無(wú)論如何也測(cè)量不出人和物的重量了，彈簧測(cè)力計(jì)無(wú)法使用了. 宇航員失重并不是失去了地球的引力，而是由于宇航員隨宇宙飛船一起繞地心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力抵消了地球?qū)λ囊?，這就是失重的本質(zhì)所在.

圖1

如果不考慮非保守力因素的話航天器的運(yùn)行軌道為橢圓軌道，文獻(xiàn)[2]按照?qǐng)A形軌道計(jì)算也存在誤差，r≠R.

通過(guò)上面的分析可以得出文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[1]中出現(xiàn)的誤差是精確度等原因造成的計(jì)算誤差，失重是等效原理的結(jié)果.文獻(xiàn)[2]比文獻(xiàn)[1]取宇宙飛船離地面的高度還低，但是得出數(shù)值比文獻(xiàn)[1]還低也說(shuō)明了這一點(diǎn)，兩篇文章采用的地球半徑、地球質(zhì)量都不相同.所以文獻(xiàn)[2]中的香港鳳溪小學(xué)生說(shuō)“希望未來(lái)能到太空體驗(yàn)失重狀態(tài)下的感受”是完全正確的(因?yàn)榉潜Ｊ亓ψ饔玫挠绊懛浅Ｐ?，幾乎無(wú)法測(cè)量)，把這句話改為“希望未來(lái)能到太空體驗(yàn)微重力狀態(tài)下的感受”是不對(duì)的.

北京電視臺(tái)播音員說(shuō)“摩根還給孩子們聊起了航天飛機(jī)在脫離地球引力那一瞬間給她帶來(lái)的感受”，應(yīng)該改為“摩根還給孩子們聊起了航天飛機(jī)在入軌那一瞬間給她帶來(lái)的感受”，因?yàn)橐蝗胲壖刺幱谑е貭顟B(tài)了.

2　航天器里的微重力問(wèn)題

嚴(yán)格地說(shuō)，微重力是指低到有效重力水平為地球表面重力的百萬(wàn)分之一，才算是微重力.在地球表面或低空營(yíng)造微重力環(huán)境，方法有多種(例如落塔法、懸吊法、水浮法、拋物飛行法等)，以現(xiàn)在微重力實(shí)驗(yàn)室里的落塔為例，當(dāng)落塔的下降加速度a=g,就完全失重；如a略小于g，就屬于正向微重力；如a略大于g，就屬于反向微重力.目前對(duì)微重力有許多廣義的理解，常把微重力理解為微小重力或低重力，有時(shí)衡量標(biāo)準(zhǔn)也稍稍放松一點(diǎn)，例如落塔實(shí)驗(yàn)中，有效重力水平達(dá)到地面重力的10-4～10-5量級(jí)的微重力環(huán)境，就算是微重力狀態(tài)了.根據(jù)干擾力的來(lái)源和性質(zhì)的不同，可將微重力加速度環(huán)境分為3類:

(1)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加速度(幅度一般不超過(guò)10-5gn量級(jí))，

(2)瞬態(tài)加速度(幅度通?？梢缘竭_(dá)10-5gn量級(jí))，

(3)振動(dòng)加速度(幅度一般在10-6～10-3gn量級(jí))范圍.

如果只考慮萬(wàn)有引力，以航天器為參照系應(yīng)該處于完全失重狀態(tài)，可是文獻(xiàn)[1，2]卻由此得出宇航員處于微重力的狀態(tài).文獻(xiàn)[1]得出宇航員在遠(yuǎn)地點(diǎn)(距離地面350 km) 重力大約是地面重力的

3.88%，在近地點(diǎn)(距離地面200 km)的重力大約是地面重力的4.05%，文獻(xiàn)[2]在中間取了一個(gè)數(shù)值343km得出宇航員的重力大約是地面重力的0.026 %，顯然不是處于微重力狀態(tài)，計(jì)算是錯(cuò)誤的，與實(shí)際也不符，事實(shí)上航天器在太空的重力環(huán)境未及地球上重力的百萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一，是典型的微重力環(huán)境.以文獻(xiàn)[2]為例如果僅僅考慮萬(wàn)有引力的話，在近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)如果不考慮其他因素慣性力始終恰好抵消萬(wàn)有引力，該文得出的微小差別是因?yàn)樗脭?shù)據(jù)本身的精度達(dá)不到使最后結(jié)果有1 N的精度，地球半徑取6 400 km(文獻(xiàn)[1]取6 370 km)，只精確到100 km，該航天器的軌道高度343 km確精確到1 km，軌道半徑6 743 km，43 km是無(wú)意義的數(shù)字.以地面為參照系地球表面的重力是地球引力與地球自轉(zhuǎn)離心力的合力，如果以航天器為參照系這樣計(jì)算就錯(cuò)了.

下面重新分析一下宇航員處于微重力的原因，大氣層的的高度過(guò)去認(rèn)為厚約800 km，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)離地球16 000 km的高空，還存在著氣體的痕跡.其實(shí)宇宙飛船在距離地面200～400 km的高度運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有完全脫離大氣層，還受到空氣阻力等因素的影響.此外太陽(yáng)光壓、太陽(yáng)的電磁輻射、太陽(yáng)宇宙線、太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)、銀河宇宙線、微流星體、重力梯度效應(yīng)以及軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)作、宇航員的活動(dòng)等因素，使得宇宙飛船不是完全在萬(wàn)有引力作用下自由運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)萬(wàn)有引力計(jì)算的軌道和宇宙飛船實(shí)際運(yùn)行的軌道就有微小差別，這才是宇航員處于微重力狀態(tài)的真正原因.由于這些非保守力由于相互抵消，它們的合力對(duì)于航天器軌道的影響極小，現(xiàn)有的儀器幾乎無(wú)法測(cè)量，所以微重力的測(cè)量只能大致估計(jì)一個(gè)區(qū)域.我國(guó)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星，其近地點(diǎn)高度h1=439 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度h2=2 384 km，也沒(méi)有完全脫離大氣層，人造衛(wèi)星也是處于微重力環(huán)境. 萬(wàn)有引力與向心力的差等于重力是對(duì)于地面系而言的，以航天器為參照系不成立.

若不考慮空氣阻力等非保守力因素，航天器里的人就完全失重，例如當(dāng)航天器返回時(shí)軌跡為拋物線此時(shí)以航天器為參照系也是完全失重.假定地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)僅僅考慮萬(wàn)有引力的因素，在地球上我們就失去了太陽(yáng)對(duì)我們的引力，我們只受地球的引力.由于航天器里的微重力是由于非保守力引起的，大部分都相互抵消，剩余的微重力方向是不斷變化的，實(shí)驗(yàn)中我們幾乎無(wú)法觀察，而按照文獻(xiàn)[1,2]的方法理解微重力的方向指向地心，那么航天器里的物體會(huì)沿著這個(gè)方向運(yùn)動(dòng).

當(dāng)航天器處于變軌(或軌道修正、航天器自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))狀態(tài)，部分推進(jìn)器處于工作狀態(tài)，除了軌道加速度外還有變軌加速度，此時(shí)航天器里的的物體也有重力，因?yàn)榇藭r(shí)航天器并非只受到保守力——萬(wàn)有引力的作用.

1張藝芳，李慧玲.宇航員失重問(wèn)題討論.物理通報(bào)，2013(06)：114～115

2蔣華，周智良.太空實(shí)驗(yàn)引出對(duì)“引力重力失重”問(wèn)題的探討.物理通報(bào)，2014(07)：115～117

3葉玉琴. 論行星運(yùn)動(dòng)時(shí)其萬(wàn)有引力與向心力之間的關(guān)系.物理通報(bào),2011(11)：105～108