《地心引力》

仿客

About the Film

上一期，我們講到了斯通博士和航天員科沃斯基奔向那些航天器的過程異常艱辛，本期我們將討論他們在太空中賴以飛行的工具。在電影的開頭，科沃斯基聲稱要打破在太空飛行的時間紀錄，他的背包正嗤嗤地噴氣，他就隨著噴氣聲微微晃動身體，變換位置。這說明他是靠噴氣背包來活動的。當災難發生后，斯通博士歷經千辛萬苦終于進入了國際空間站，駕駛艙外卻因故障爆炸起火，她迅速地趕到起火的位置，拿起滅火器噴了過去——然后被滅火器噴射的反作用力吹飛，一頭撞暈了過去。同樣是噴氣的反作用力的表現，噴氣背包和滅火器的效果怎么不一樣呢？

Real Story

如何在太空中使用滅火器

看到斯通博士被滅火器撞暈的場景，很多觀眾可能會忍不住為她揪心：這么緊張的時刻，怎么連個滅火器都拿不穩，反而把自己撞暈了呢？

這其實是太空中的正常現象。在地球上，我們在使用滅火器之類帶噴射動力的設備時，之所以能穩穩地站住，是借助了地心引力的作用。地心引力將我們吸附在地面上，根據摩擦力公式，摩擦力等于正壓力乘以摩擦因數，我們與地面有了摩擦力，就不會被噴氣的反作用力輕易吹走。而在太空中，航天員處于懸浮的狀態，與周圍的物體沒有相互擠壓的力，自然也不會獲得摩擦力，所以她使用滅火器時，反而把自己給吹飛了。

從昏迷中及時醒來的斯通博士，在危急關頭汲取了教訓，以一個弓箭步的動作，讓一只腳穩穩地撐在身后的艙壁上，再次啟動滅火器時，噴氣的推力通過撐在艙壁的腳來承受，她自己就沒有再被吹走，最終成功撲滅了火焰，度過了這次危機。

隨后，受到啟發的斯通博士開始嘗試借助滅火器來代替噴氣背包在太空行走，畢竟噴氣背包的推進原理與滅火器沒有本質差別。但在實際使用上，會碰到一個很嚴重的問題——附加轉矩。這就要說到最早用于太空行走的裝置了。

如何在太空中使用噴氣動力

回顧早期的太空探索，航天員是綁根繩子（學名臍帶）跳出艙外來進行太空行走的。后來美國的科學家們首先發明了手持式機動裝置（HHMU）來提供艙外行走的動力。

HHMU的結構和原理與小型滅火器沒有太大的差別，工作過程就是把高壓氣體從噴嘴里噴出而已。它的首個體驗用戶——研究員詹姆斯·麥克迪維特直言其“令人絕望”“完全無用”，因為它必須精確地對準使用者的質心，才能讓使用者沿一條直線移動，否則就會引起身體不必要的旋轉。

所以，像電影里斯通博士那樣用滅火器，比HHMU更加可怕。如果你不能很準確地把噴射的方向瞄準自己的質心位置，那么它把你向前推行的同時，還會讓你整個人翻滾起來，而且很難重新平衡……這也是為什么科沃斯基的噴氣背包是從圍繞身體的多個位置同時噴射氣流來推動的，因為這樣才能在推進的同時，通過背包自帶的控制系統自動調節平衡姿態。

False Tale

“聯盟號”的鉛筆頭

當電影里的“聯盟號”上出現鉛筆的時候，可能有不少人開始會心微笑了。曾經有一個著名的段子，說美國人花費了數百萬美元發明了一種能在太空寫字的筆。沒想到，他們的競爭對手蘇聯人在太空輕松地用著鉛筆，花費不過幾毛錢。事實上，早期的航天員都是使用鉛筆進行書寫的，而且鉛筆并不像想象的那樣好用。鉛筆芯斷裂后，在無重力的空間中可能飄進航天員的鼻腔、眼睛，或引起電路短路；鉛筆的筆芯和木頭在純氧的環境中很容易快速燃燒，危險性極高。

美國工程師費舍爾在1965年解決了這個問題，他發明了太空筆。這種筆采用全密封的筆芯結構，在筆芯中填充了氮氣以提供壓力讓墨水流出；采用黏性極強且擁有觸變特性的特殊油墨；用耐磨性和硬度都非常好的超硬碳化鎢做成筆珠，確保油墨能均勻穩定地流出而又不會漏油，更不會在惡劣環境下出現筆珠脫落的情況。

太空筆不但成為了各國航天員的必備品，在各種極端環境的工作中也大受歡迎，甚至包括需要進行多角度描繪的機器人——別的筆可沒法倒著寫。太空筆如此普及，“聯盟號”上不至于沒有準備吧？