飛行器座艙聯想

江先華

星際旅行包括行星際航行和恒星際航行。人類已經實現了在太陽系內的不載人行星際旅行，要實現恒星際航行，人類還要付出長時間的努力。

一般認為，恒星際航行所要求的航天器必須達到接近光速的速度，這樣的恒星際航行才有實際意義。這是因為，人類探測到的離地球最近的恒星——半人馬座“比鄰星”的距離是4．22光年，約合40萬億千米，相當于地球到太陽之間距離的27萬倍，其他恒星和星系的距離就更遠了。如果以現代火箭技術能達到的速度(約20千米／秒左右)進行恒星際旅行，我們到最近的恒星“比鄰星”所需要的時間約為65 000年,而到天狼星則約需13萬年。

由此，我們不禁想起神秘莫測的飛碟。

如果飛碟真的是外星人的太空飛行器，如果他們生命的本質和生理特征類似于我們，那么，無論飛碟進行宇宙旅行依靠的能源、動力是什么，外星人都必須要解決失重的問題。在太空展開長時間的探索活動，宇航員必須進行失重訓練，依靠在太空飛行中經常的體力活動、補充營養和維生素，并不能很有效地克服太空微重力環境引起的失重生理效應。然而，如果飛行器座艙本身能夠具有消除或者克服失重對宇航員的影響的作用，那么，即使飛行器的飛行速度不能達到或者接近光速，但隨著生命醫學和基因技術的發展，人類(地球人或外星人)要遠征太空，進行太空開發和太空移民的夙愿還是可望得到實現的。

在漫長的太空旅行中，怎么樣的飛行器座艙才能具有消除或者克服失重生理效應的作用呢?在回答這個問題之前，我們有必要先談一談失重現象。

現在，我們在一個鐵罐底部的側面開一個洞，先用手指按住這個洞口，接著往鐵罐里倒進水。移開手指之后，我們可以看見水從洞中射出。這時，如果讓鐵罐自由落下，在下落的過程中，水將不再從洞中射出。

這是一個說明鐵罐里的水處于失重狀態的例子。在一部以重力加速度g加速下降的電梯里，站在電梯里的人也會處于失重狀態，這時，人站在體重計上的話，他將會看到體重計上的讀數為零。鐵罐里的水和電梯里的人之所以處于失重狀態，簡單說來，是由于水和人(包括體重計)都是以鐵罐和電梯的下降速度一起降落的。

如果我們在鐵罐的上部安裝一個小型的自動感應壓力裝置，或者在電梯的底部安裝一個自動感應拉力器，壓力裝置和拉力器分別對水和人進行作用，接下來就會出現這樣的情形：由于壓力片對水施加了壓力，水從洞中射出；連接于拉力器和人身上的繩子，由于它向下的拉力作用，體重計上又顯示出讀數不為零的人的體重。

然而，飛行器在微重力環境中飛行，宇航員依賴拉力器拉力的作用，并不能達到克服失重的目的，而且，采取這種做法也是不實際的、不可行的。因此，我們必須考慮另一種途徑。

飛碟——或者說是不明飛行物，它們的外形留給人們最深刻的印象是一個圓盤狀的東西。這似乎不是巧合，而是圓具有理想的對稱性所帶來的必然選擇。接下來的例子大概可以說明，由某種構造而成的具圓形的物體，它們在克服失重現象方面將會表現出良好的性能。

假設在一個空心的大球內有一個直徑略小于大球的空心小球，小球的外壁嵌裝有多個動滑輪，使得小球能夠在大球內轉動。因為物體的質量越大，它的慣性則越大，如果要求某物體的運動狀態不易改變時，可以盡可能地增大該物體的質量。所以，我們在小球的任意部位A設置一個固定重物，例如鐵鍋狀的金屬鑄件，以求達到小球的運動狀態不易改變的目的。為了便于觀察到小球在大球運動時的狀態，這兩個球體可以用透明材料例如塑料或有機玻璃來制作。

這時，我們把這個具有同心圓結構的球體放在一個傾斜度不大的模型旋轉梯上，然后讓這個球體沿著旋轉梯自由運動。這時，我們將觀察到：隨著球體在旋轉梯上的加速運動(滾動)，小球相對于大球基本保持著平衡狀態。這就是說，處于球對稱軸上的鐵鍋狀金屬鑄件的弧頂始終垂直指向地心，同樣地，鐵鍋狀金屬鑄件的平面也始終保持與水平面平行。

根據上述的同心圓結構的球體的運動特征，我們再把這個球體包上一層外殼，這樣，我們就可以視球體的外殼為飛行器的機身，外殼內的球體就是座艙。同時，我們在座艙內設置一些自動制動的機動裝置。接著，我們想象這架球體座艙的飛機做拋物線飛行。

在飛機處于拋物線飛行上升段時，制動控制系統自動解除制動，座艙向后向下向上呈弧形滑動，促使座艙平面恢復水平狀態。隨著飛機沿拋物線軌道飛行進入了平飛段，制動控制系統再次解除制動，座艙向前向下向上劃弧滑動。在這個過程中，由于座椅向前向下向上劃弧滑行，使飛行員在駕駛艙內相對于飛機有了一個微小的滑行加速度，飛行員在這個微小的滑行加速度之中，因身體隨著駕駛艙運動而處在一個非慣性系中。在這個非慣性系里，飛行員在平飛段處于失重狀態時像是被“拉”了一把，從而打破了飛機沿拋物線軌道飛行時造成飛行員失重的狀態。

圓這種理想的對稱圖形顯然具有上述的優良性能，但是在現實生活中，由于矩形空間的可利用率勝于圓形空間，以至目前無論是汽車的車廂、列車的車廂還是飛行器座艙，其造型設計都采用了類似于矩形的模式。

其實，為了解決空間利用率的問題，我們可以把飛行器座艙設計成圓環狀，這樣一來，既解決了空間利用率的問題，又能使座艙更有效地克服失重的效應。從飛碟的造型看來，在我們想象中，飛碟的座艙極有可能就是圓環狀的。

在微重力環境中飛行，圓環狀座艙所具有的抗失重的作用比球狀座艙更加有效。這是因為，圓環狀座艙在旋轉運行時所產生的慣性離心力，其效應在某種程度上可以類似于他們所受到的重力。

然而，圓環狀座艙的圓周運動會不會影響宇航員的操縱效率呢?回答是，這種影響應該是極其微弱的。這是因為，宇航員與座艙的操縱臺是一同旋轉做圓周運動的，而座艙的旋轉速度又不會很大，其慣性離心力不足以影響宇航員的正常操縱效率。

假設圓環狀座艙距環心的半徑R=1米，它若要產生與地面重力等效的慣性離心力，根據公式mg=mω²R=m(2πn)²R，其轉速n=≈0.5轉／秒。這是在地球重力環境中，航空器處于失重時所要求達到的數值。在太空微重力環境中，航天器的圓環狀座艙的圓周運動速率，可以不由上述公式得出。例如，假設圓環狀座艙距圓環中心的內半徑R約為3米，座艙的半徑約為4.5米，它所需的圓周運動速率約為0.3轉／秒。當宇航員的坐姿或站姿使得慣性離心力的作用方向大致沿著頭傾到腳部的方向，那么宇航員就可望克服失重狀態的影響。

由此可見，圓環狀座艙的圓周運動速率一般都不會很大，它給宇航員帶來的生理反應是輕微的。圓環狀座艙機動的旋轉運行不僅能表現出抗失重的效應，而且在飛行器目前可達到的和可望達到的高速飛行中還具有一定的抗超重的效應。這是因為圓環狀座艙的機動性所帶來的結果,能夠使圓環狀座艙作為相對于飛行器的一個非慣性系。在這樣一個有限空間的非慣性系里，宇航員處于圓環狀座艙的慣性力場中，座艙內的宇航員和其他物體(但不包括座艙本身)的運動狀態不再直接受到飛行器飛行狀態的支配，而是更直接地取決于他們所在的參照系，即圓環狀座艙的運動狀態。

由等效原理得知，在局部空間中所引入的非慣性系里，慣性力場與一個真實(永久)引力場一樣，可以抵消反方向的一個永久引力場。此外，加速度與重力之間又具有等效性。在前面講過的例子中，水在鐵罐自由落下時從洞中射出，人在失重的電梯里仍然使體重計顯示出讀數不為零的體重，其原因就是因為水和人分別受到了壓力器和拉力器的作用，因而，水和人分別獲得了一個類似于向下加速度的力。

這時，壓力和拉力的效應，致使水和人分別相對于鐵罐和電梯向下“加速”，從而表現出重量。

從以上的討論中，我們大致了解到了同心圓結構的座艙所具有的效應，不僅如此，對于飛碟和某些造型的飛行器來說，同心圓結構的座艙還能夠使飛碟在太空飛行中實現快速轉向的目的。