失重飛機(jī)“實(shí)驗室”

陳夢云

小編的話：

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

什么是失重飛機(jī)？

失重飛機(jī)是目前除國際空間站、空間實(shí)驗室和載人飛船外，唯一可獲得失重環(huán)境的載人飛行平臺。它通過連續(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)驗空間大，特別是支持航天任務(wù)型號產(chǎn)品和常規(guī)地面科學(xué)實(shí)驗設(shè)備開展失重實(shí)驗等優(yōu)點(diǎn)，美國、俄羅斯、日本和歐洲長期利用它開展航天員訓(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、失重體驗科教活動呢！

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，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影響，也就是失去了來自其他物體的支撐，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，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)中的二體問題來考慮更準(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/小時并拉起飛機(jī)至爬升狀態(tài)，此時飛機(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/小時的速度繼續(xù)爬升，歷時22秒的失重狀態(tài)從這時開始了。

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。

爬升過程中飛機(jī)上升動力大于重力，便進(jìn)入超重階段；爬升到50度角時，駕駛員減小油門，只保留一定功率以平衡空氣阻力，上升動力趨近于零，此時飛機(jī)和機(jī)上乘員只受重力作用，相互之間沒有作用力，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？

只要是需要不同等級重力環(huán)境的科學(xué)研究或技術(shù)驗證都可以在失重飛機(jī)上開展，甚至可以在物理學(xué)、材料科學(xué)、人體生理學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域同時開展實(shí)驗，失重飛機(jī)可謂是神通廣大的多學(xué)科實(shí)驗室。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)上對任何顆粒的光散射測量，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)驗中會采用不同的顆粒樣品，如無煙煤顆粒、火山灰、月球粉塵模擬物、代表彗星材料的碳質(zhì)模擬物等。該項實(shí)驗對星云的聚集過程、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，比如家中燒開水，我們經(jīng)常能看見從容器底部產(chǎn)生氣泡不斷向上涌，形成水蒸汽。在失重環(huán)境下，沒有對流和浮力作用，沸騰的整個過程顯然不同了：受熱的液體并沒有上升，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)的部分依然相對較冷。因為只有一小部分水受熱，這部分水很快沸騰了。雖然已經(jīng)形成氣泡，但是它們沒有到達(dá)表面。沒有浮力的影響，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)化傳熱的場合，如火箭發(fā)動機(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)驗表明，在過重力和微重力的過渡階段，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對氣泡行為的影響。

2.人體生理學(xué)

在失重飛機(jī)上曾開展過手部靈活操作實(shí)驗。科學(xué)家對受試者的手臂運(yùn)動軌跡和運(yùn)動控制建模，受試者采取肩部固定手臂擺動的姿勢，并保持精確抓握。通過失重飛機(jī)上的敏捷操作實(shí)驗，研究人員可以擴(kuò)大對運(yùn)動控制和運(yùn)動感覺協(xié)調(diào)的認(rèn)識，將來可運(yùn)用到假肢的設(shè)計當(dāng)中。

3.技術(shù)驗證

2017年4月20日，中國第一艘貨運(yùn)飛船“天舟一號”成功發(fā)射。“天舟一號”上開展了4項科學(xué)實(shí)驗任務(wù)，其中一項是主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗證。這項實(shí)驗所采用的實(shí)驗裝置，是一種減振器，通過主動控制為精密實(shí)驗儀器提供更“安靜”的實(shí)驗環(huán)境，滿足科學(xué)實(shí)驗需求。為了充分驗證主動隔振裝置的功能和性能、滿足各項技術(shù)要求、適應(yīng)太空失重環(huán)境，主動隔振裝置曾參加拋物線飛行實(shí)驗。失重實(shí)驗獲得了大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為改進(jìn)裝置設(shè)計，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)生對科學(xué)研究的興趣和運(yùn)用科技知識的能力。歐洲空間中心特意建立了失重飛機(jī)教育項目，每年為歐洲教育機(jī)構(gòu)提供拋物線飛行實(shí)驗機(jī)會。

說不定，以后你的畢業(yè)設(shè)計就是通過失重飛機(jī)完成的呢！

（本文摘編自“科學(xué)大院”微信公眾號）