太空中的“失重”和“超重”

韓吉辰

1969年7月21日，月球上第一次出現了人類的腳印。美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗身穿著十分臃腫的宇航服，跳躍式前進，進行一番月宮探險。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。可是在月球上宇航員卻很輕松，原來，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對物體的吸引力而產生的，這時物體受到的力叫做“重力”。

需要指出的是：物體的“質量”是固定數值，不會隨位置而改變，而物體的“重量”數值則會有所變化。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，重量大約減輕萬分之三。如果物體升高到6400千米(這個數值相當于地球半徑)時，物體的重量只有原來的1/4，如果繼續升高則地球對物體的引力越來越小，最后將失去了重量，這一系列的變化就是失重現象。

除了高度影響重量外，運動速度也能改變重量。坐電梯時，當開始快速下降時，有一種“提心吊膽”的感覺，啟動速度越快，感覺越強烈。如果你站在電梯中的臺秤上，就可以發現：體重數值變小了!這也是一種失重現象。設想電梯鋼索斷裂而自由下落(當然實際不會發生)，你會發現：臺秤上顯示你的體重數值等于0，這時就是“完全失重”了。

圓周運動也會出現這種現象，游樂場的高速“過山車”以及各種航天器都是利用這個原理。當飛行速度達到7.9千米/秒，就會在地球引力作用下圍繞地球運動而不掉下來。這時地球的引力正好等于航天器圓周運動所需的向心力，這個速度叫做“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，生產在地球上無法獲得的新型產品。目前，這樣的工廠已經涉及到制藥、冶金、電子和機械制造等領域，而且正在向更為廣闊的方向發展。

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。其原因就因為它們是兩種不同性質的金屬材料，很難進行化合。鋁是輕金屬，熔點僅有660℃，沸點也只有2467℃；鎢是重金屬，熔點高達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，鎢還呈現固體形態時，鋁就早已氣化了。即使把它們分別熔化，也不能融合在一起，而是呈現不同的層次。如果把這兩種金屬轉移到失重空間進行冶煉，固體鎢在鋁液中均勻融解。熔化的金屬經過冷卻后，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體材料和理想圓度的軸承滾珠。

不可忽視的超重現象

在坐電梯加速上升時，你會感到血液向下涌去，有一種受到壓力的感覺。如果這時你站在臺秤上，就會發現你的體重數值會有所增加，這就是所謂的超重現象。

在載人航天活動中，超重現象主要發生在航天器的發射和返回階段中。巨型三級火箭要把航天器加速到第一宇宙速度，在加速過程中，載人航天器中的設備和航天員，都會產生超重現象。同樣道理，載人航天器在返回地面時，需要從第一宇宙速度急速降低，這時宇航員又一次進入超重狀態。

宇航員必須接受嚴格的超重訓練，在正常環境中，我們承受一個G的重力，在這里用G表示地球表面重力加速度，數值為9.8米/秒²。宇航員一般要進行承受3G～4G，最高8G的“超重”訓練。利用大型離心機，甚至可以達到10G的效果。

早期運載火箭每級發動機燃燒時間比較短，所達到的加速度峰值較高，是7G～9G的數值，對于航天器設備帶來損壞，宇航員也難以承受。后來隨著航天技術的發展，發射和返回時的超重現象有所減輕，一般不超過5G的數值。尤其是航天飛機條件更好了，不但經過特殊訓練的宇航員完全可以適應，一般健康的人也可以乘坐。

兄弟行星的重力

如果宇航器在到達衛星軌道的“第一宇宙速度”以后，它的速度繼續加快，當達到11.2千米/秒時，地球的引力就拉不住它了，宇航器就可以脫離地球，這時的速度稱為“第二宇宙速度”。自從1961年以來，人類已經多次發射無人宇宙飛船，探測了金星、火星、水星和木星等。不久的將來，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，那是因為月球的引力只有地球的1/6。但是，如果穿這件宇航服，到了兄弟行星上面，將會有多重呢?科學家經過仔細測量研究，主要是根據行星的質量及球體半徑進行計算，然后告訴了我們這些數據：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，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，象個沉重的包袱，絕不會像在月球上那樣輕松了。因此科學家面臨的一個重要課題就是研制高性能而重量輕的“火星服”，標準是在地球上的重量不能超過45千克重。

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

還有的讀者會問：太陽上的重力是多少呢?太陽是整個太陽系的中心，表面溫度就達6000℃，因此任何航天器都到不了那里。根據研究計算，太陽表面的重力很大，地球上1千克重的物體在太陽表面是28千克重!

太空站的“人造重力”

有人也許會認為：還是失重好!輕飄飄跟神仙似的。其實不對，我們長期生長在地球上，已經適應有引力的生活。如果在太空站長期處于失重狀態，將會產生骨骼損耗及免疫系統失調等一系列問題，有損人體健康。

現在國際太空“空間站”上，已經有多名宇航員在工作，美國航空航天局目前用于減輕零重力對人體影響的方法，主要是內服藥物和進行適應性鍛煉，還有身穿“抗荷服”，這是一種可充氣的緊身褲，在褲內有很多側管，管內充氣時可以壓迫下肢的靜脈，防止血液潴留，促使全身血液循環。但是，目前還不知道應用上述措施是否能順利完成持續一年以上的火星探險任務。因此科學家必須考慮在太空站制造“人造重力”的問題。

制造“人造重力”，從理論上說并不復雜，就是旋轉——讓空間站和飛向火星的飛船繞自身軸‘旋轉起來。這時宇航員有被向外甩出的趨勢，而空間站和宇宙飛船的內壁阻擋著他，宇航員就對內壁有了壓力，與在地球上有“重力”的感覺相近，這就是制造“人造重力”的簡單原理。

科學家計算后描述，一個直徑450米的圓柱型空間站，如果一分鐘繞軸自轉兩周，在內壁產生的“人造重力”幾乎與地球相似。如果這個空間站有1千米高，那么內壁面積可超過1平方千米，能夠容納1萬人居住。

如果一個直徑1800米的球型太空“空間站”，每分鐘繞軸心自轉1周；你居住在內壁“赤道”地區，那里的“人造重力”也會和地球差不多；倘若你到了空間站北緯60度的地方，你會吃驚地發現體重減輕了一半；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；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。

宇航時代的重力之謎十分復雜，對于人類飛向太空又極其重要，這個課題還等待我們繼續深入地進行研究呢!(文章代碼：2009)

責任編輯龐云