《火星救援》電影中的幾個趣味物理常識研究

王澍

《火星救援》是近期播放的美國科幻片，影片講述了六位宇航員在火星上執行任務時，由于火星上的一場沙塵暴災難，迫使宇航員逃離火星，乘上赫爾墨斯號飛船（簡稱飛船），踏上返回地球之路，而男主角馬可因故與團隊失聯，孤身一人被置身于火星，在孤獨絕望、食物匱乏的狀態下，馬可運用各種物理、化學、數學、植物學等知識，在火星上整整生活了561天，最終獲救.影片中的整個救援過程充滿了科學性，這是令我最感興趣的地方，下文將利用高中學科知識，對影片中幾個科學現象進行粗淺研究.

1 赫爾墨斯號飛船逃離火星及折回救援馬可的飛行過程物理分析

赫爾墨斯號載著五位宇航員，脫離火星飛向地球，在接近地球的時候，決定返回火星救援馬可，最終成功救出馬克，并順利第二次返回地球.其救援飛行過程如圖1所示：

火星未發生災難前，飛船利用火星的第一宇宙速度原理，環繞火星飛行.

發生災難后，其中五名宇航員乘坐火星上的返回艙，并將其加速到火星第一宇宙速度，在環星軌道A處和飛船對接，宇航員進入飛船避難，馬可一人被丟在火星.

然后，飛船加速到火星第二宇宙速度，該過程由于動量守恒原理，需要消耗大量燃料，在環星軌道B處飛船脫離火星引力進入返回地球軌道，依靠慣性飛向地球（太空阻力約為零）.

飛船在途中C處獲知了馬可還活著的消息，但當時飛船正在按照預定軌道飛向地球，以第二宇宙速度級別遠離火星，飛船上的燃料不足以支持飛船直接掉頭飛火星救人.

當飛船接近地球，在D處時，恰好中國發射深空衛星的大推力火箭太陽神號已經準備好，中美聯合救援，飛船上宇航員決定飛行繞過地球，折回火星救人.

飛船在E處，以火星第二宇宙速度接近地球，利用地球引力進行加速，以不低于地球第二宇宙速掠過地球.同時，地球NASA利用太陽神號將補給艙加速到和飛船相同的第二宇宙速度進行補給，否則飛船宇航員錯過了補給，將無法生存.

赫爾墨斯號成功加速和補給后，在F處以地球第二宇宙速度脫離地球引力，依靠慣性（太空阻力約為零），以地球第二宇宙速度級別飛行火星.

飛船到達火星附近后，準備和馬可乘坐的返回艙對接，由于的燃料不夠，飛船無法減速到第一宇宙速度環繞火星飛行，所以馬可必須把乘坐的返回艙加速到第二宇宙速度，才能和第二宇宙速度的飛船對接，所以馬可要為返回艙減重，在有限的距離內加速到第二宇宙速度，承受了超過12個g的加速度，最后馬可在M處成功獲救.

飛船借火星引力掉頭加速，以不低于火星第二宇宙速度，脫離火星引力，依慣性返回地球，到地球附近N處減速到地球第一宇宙速度，在P處被地球的引力俘獲而環地飛行，在K處宇航員乘返回艙再入大氣層回地面.

3 太空艙中的人工重力分析

眾所周知，太空飛行存在“失重”的現象，但在赫爾墨斯號飛船中，宇航員在太空艙中正常生活，甚至在跑步機上進行鍛煉，顯然太空艙中并沒有所謂“失重”，這是什么原因？原來，飛船太空艙一邊沿著預定軌道向前飛行，一邊自身進行旋轉，宇航員隨著太空艙同步做圓周運動，太空艙地板給宇航員一個向心力，提供向心加速度，這個向心力，使人和太空艙之間產生相互作用力，從而使宇航員覺得有“重量”，這就是人工重力，這個力類似于人在地球表面時，地面對人施加一個力來平衡重力，使人感覺到“重量”，也使人能夠像在地球表面那樣行走、運動.

上文利用高中物理和數學知識，在假定條件下，對《火星救援》電影中所表述的有關有趣現象進行了淺顯的分析，深深感到高中所學的數學、物理知識的奇妙，它們不是一堆枯燥的公式，而是解決自然問題的工具.這部電影中，還有其它可以用高中知識進行解釋的科技現象，在此不贅述了.觀看這部電影，不僅獲得了視覺盛宴，也使我認識到知識的趣味性和重要性，增加了對數學、物理的學習興趣.