陳夢(mèng)云

小編的話：

失重飛機(jī)好玩兒?jiǎn)?？它和普通飛機(jī)有什么區(qū)別？為什么把它稱作“實(shí)驗(yàn)室”呢？讓我們一起走進(jìn)失重飛機(jī)“實(shí)驗(yàn)室”，看看都有哪些新鮮事兒吧！

什么是失重飛機(jī)？

失重飛機(jī)是目前除國(guó)際空間站、空間實(shí)驗(yàn)室和載人飛船外，唯一可獲得失重環(huán)境的載人飛行平臺(tái)。它通過(guò)連續(xù)的拋物線飛行，在飛機(jī)上產(chǎn)生重復(fù)的失重和超重環(huán)境，不用進(jìn)入太空，就可以模擬月球重力和火星重力環(huán)境。

由于失重飛機(jī)可提供載人失重環(huán)境，并具有準(zhǔn)備周期短、實(shí)驗(yàn)空間大，特別是支持航天任務(wù)型號(hào)產(chǎn)品和常規(guī)地面科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展失重實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)、俄羅斯、日本和歐洲長(zhǎng)期利用它開(kāi)展航天員訓(xùn)練、空間科學(xué)和應(yīng)用研究、空間設(shè)備和技術(shù)驗(yàn)證等工作。近期，失重飛機(jī)也常常被用于電影特效拍攝、失重體驗(yàn)科教活動(dòng)呢！

飛機(jī)上的失重和超重環(huán)境是如何產(chǎn)生的？

失重可不是指失去重力哦！原來(lái)，失重狀態(tài)是指物體除了自身重力（地球引力），不再受到任何其他外界重力場(chǎng)影響，也就是失去了來(lái)自其他物體的支撐，而不是失去重力。

飛行軌跡真的是拋物線嗎？

當(dāng)飛機(jī)所受地球引力是均衡的，方向呈平行豎直向下時(shí)，失重飛機(jī)進(jìn)入失重狀態(tài)的軌跡可以模擬為拋物線。

然而，地球引力場(chǎng)并不是平行豎直向下，而是徑向的，所以將地球和飛機(jī)按照經(jīng)典天體力學(xué)中的二體問(wèn)題來(lái)考慮更準(zhǔn)確。經(jīng)研究，飛機(jī)進(jìn)入失重狀態(tài)之后的軌跡更近似于以地心為焦點(diǎn)之一的橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)末端的一段圓弧。

拋物線飛行產(chǎn)生失重

讓我們來(lái)看一看失重飛機(jī)特有的拋物線飛行軌跡吧，也就是超重一失重一超重的反復(fù)循環(huán)。

失重飛機(jī)飛行至約6000米高空后，駕駛員加速飛機(jī)到825千米/小時(shí)并拉起飛機(jī)至爬升狀態(tài)，此時(shí)飛機(jī)經(jīng)歷了約20秒的1.8g超重狀態(tài)，爬升到了50度角。駕駛員再迅速減小油門至空氣阻力平衡狀態(tài)，并以580千米/小時(shí)的速度繼續(xù)爬升，歷時(shí)22秒的失重狀態(tài)從這時(shí)開(kāi)始了。

失重飛機(jī)到達(dá)最高點(diǎn)9000米左右高空后，飛行速度減至最小速度一約370千米/小時(shí)并轉(zhuǎn)為俯沖，當(dāng)俯沖至42度角，結(jié)束失重。

駕駛員再次加速拉起飛機(jī)至平飛，即再次進(jìn)入約20秒的超重狀態(tài)，至完全平飛后準(zhǔn)備下一次拋物線飛行。

爬升過(guò)程中飛機(jī)上升動(dòng)力大于重力，便進(jìn)入超重階段；爬升到50度角時(shí)，駕駛員減小油門，只保留一定功率以平衡空氣阻力，上升動(dòng)力趨近于零，此時(shí)飛機(jī)和機(jī)上乘員只受重力作用，相互之間沒(méi)有作用力，飛機(jī)上的乘員隨即感受到失重。

在失重飛機(jī)上可以做哪些實(shí)驗(yàn)？

只要是需要不同等級(jí)重力環(huán)境的科學(xué)研究或技術(shù)驗(yàn)證都可以在失重飛機(jī)上開(kāi)展，甚至可以在物理學(xué)、材料科學(xué)、人體生理學(xué)、動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，失重飛機(jī)可謂是神通廣大的多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室。迄今為止，科學(xué)家在失重飛機(jī)上已進(jìn)行了大量科學(xué)研究，取得了豐碩成果。

1.物理學(xué)領(lǐng)域

（1）粒子光散射研究

在失重飛機(jī)上對(duì)任何顆粒的光散射測(cè)量，都可以在幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行，而且不受重力和組成成分影響。實(shí)驗(yàn)中會(huì)采用不同的顆粒樣品，如無(wú)煙煤顆粒、火山灰、月球粉塵模擬物、代表彗星材料的碳質(zhì)模擬物等。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)星云的聚集過(guò)程、彗星中的塵埃顆粒演化，以及地球甚至火星上的大氣環(huán)境研究都有重要作用。

（2）沸騰傳熱研究

地球上的沸騰現(xiàn)象十分普遍，比如家中燒開(kāi)水，我們經(jīng)常能看見(jiàn)從容器底部產(chǎn)生氣泡不斷向上涌，形成水蒸汽。在失重環(huán)境下，沒(méi)有對(duì)流和浮力作用，沸騰的整個(gè)過(guò)程顯然不同了：受熱的液體并沒(méi)有上升，而是緊緊靠近加熱器的表面，并且不斷地變熱。液體中離加熱器遠(yuǎn)的部分依然相對(duì)較冷。因?yàn)橹挥幸恍〔糠炙軣幔@部分水很快沸騰了。雖然已經(jīng)形成氣泡，但是它們沒(méi)有到達(dá)表面。沒(méi)有浮力的影響，加熱停止以后，由于表面張力的作用，很多的小氣泡接合在一起，形成一個(gè)大氣泡（就像下面這幅圖中右側(cè)圖片里的氣泡）。

沸騰傳熱由于其換熱系數(shù)大，也常用于一些需要強(qiáng)冷卻和強(qiáng)化傳熱的場(chǎng)合，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其尾噴管、核反應(yīng)堆堆芯、連續(xù)澆鑄、金屬淬火和熱管技術(shù)等。

在失重環(huán)境下，沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡行為和在正常重力情況下完全不同。浮力作為氣泡分離的主要原因在失重環(huán)境下減弱，其他因素的影響得以凸顯，例如慣性引發(fā)氣泡脫離或聚合。多次實(shí)驗(yàn)表明，在過(guò)重力和微重力的過(guò)渡階段，也就是飛機(jī)進(jìn)行拋物線軌跡飛行的起始階段，可以研究不同的微重力等級(jí)對(duì)氣泡行為的影響。

2.人體生理學(xué)

在失重飛機(jī)上曾開(kāi)展過(guò)手部靈活操作實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家對(duì)受試者的手臂運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)控制建模，受試者采取肩部固定手臂擺動(dòng)的姿勢(shì)，并保持精確抓握。通過(guò)失重飛機(jī)上的敏捷操作實(shí)驗(yàn)，研究人員可以擴(kuò)大對(duì)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)感覺(jué)協(xié)調(diào)的認(rèn)識(shí)，將來(lái)可運(yùn)用到假肢的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

3.技術(shù)驗(yàn)證

2017年4月20日，中國(guó)第一艘貨運(yùn)飛船“天舟一號(hào)”成功發(fā)射。“天舟一號(hào)”上開(kāi)展了4項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，其中一項(xiàng)是主動(dòng)隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置，是一種減振器，通過(guò)主動(dòng)控制為精密實(shí)驗(yàn)儀器提供更“安靜”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。為了充分驗(yàn)證主動(dòng)隔振裝置的功能和性能、滿足各項(xiàng)技術(shù)要求、適應(yīng)太空失重環(huán)境，主動(dòng)隔振裝置曾參加拋物線飛行實(shí)驗(yàn)。失重實(shí)驗(yàn)獲得了大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為改進(jìn)裝置設(shè)計(jì)，保障任務(wù)成功發(fā)揮了重要作用。

在科普教育方面，失重飛機(jī)也可以大顯身手。失重飛機(jī)能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣和運(yùn)用科技知識(shí)的能力。歐洲空間中心特意建立了失重飛機(jī)教育項(xiàng)目，每年為歐洲教育機(jī)構(gòu)提供拋物線飛行實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

說(shuō)不定，以后你的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是通過(guò)失重飛機(jī)完成的呢！

（本文摘編自“科學(xué)大院”微信公眾號(hào)）