宇航員失重問題的再探討

卜春彥

(吉林大學物理學院　吉林 長春　130023)

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宇航員失重問題的再探討

卜春彥

(吉林大學物理學院吉林 長春130023)

介紹了完全失重與微重力的概念，重新剖析了宇航員失重的真正原因.

宇航員微重力完全失重精確度大氣層

1　宇航員失重問題的分析

完全失重即物體的視重為零，例如自由下落(平拋運動、斜拋運動等)的物體重力提供了物體向下的加速度，以該物體為參照系是處于完全失重狀態，以地面為參照系重力是地球引力與地球自轉離心力的合力，重力為mg.人造地球衛星、宇宙飛船、空間站、航天飛機等航天器進入軌道后，如果只從萬有引力的角度出發，就是廣義相對論所講的局域慣性系，物體在航天器中就好像沒有萬有引力一樣，不需要支持物提供支持力就可以相對航天器靜止，即處于失重狀態.

為了討論宇航員失重問題，我們寫出牛頓第二定律

f=ma

(1)

這里m為宇航員的質量，f為宇航員所受地球之萬有引力，a為宇航員在地心坐標系加速度矢量.于是，我們有

(2)

(3)

由于宇宙飛船在地心坐標系有加速度a，于是宇宙飛船里便有慣性力場存在，其慣性力場強度為-a，則

(4)

宇航員在宇宙飛船里即受萬有引力作用又受慣性力f′作用

(5)

f+f′= 0，即f-ma=0.即宇航員所受合力為零，即宇航員失重了. 在宇宙飛船里用彈簧測力計無論如何也測量不出人和物的重量了，彈簧測力計無法使用了. 宇航員失重并不是失去了地球的引力，而是由于宇航員隨宇宙飛船一起繞地心運動產生的慣性力抵消了地球對他的引力，這就是失重的本質所在.

圖1

如果不考慮非保守力因素的話航天器的運行軌道為橢圓軌道，文獻[2]按照圓形軌道計算也存在誤差，r≠R.

通過上面的分析可以得出文獻[2]和文獻[1]中出現的誤差是精確度等原因造成的計算誤差，失重是等效原理的結果.文獻[2]比文獻[1]取宇宙飛船離地面的高度還低，但是得出數值比文獻[1]還低也說明了這一點，兩篇文章采用的地球半徑、地球質量都不相同.所以文獻[2]中的香港鳳溪小學生說“希望未來能到太空體驗失重狀態下的感受”是完全正確的(因為非保守力作用的影響非常小，幾乎無法測量)，把這句話改為“希望未來能到太空體驗微重力狀態下的感受”是不對的.

北京電視臺播音員說“摩根還給孩子們聊起了航天飛機在脫離地球引力那一瞬間給她帶來的感受”，應該改為“摩根還給孩子們聊起了航天飛機在入軌那一瞬間給她帶來的感受”，因為一入軌即處于失重狀態了.

2　航天器里的微重力問題

嚴格地說，微重力是指低到有效重力水平為地球表面重力的百萬分之一，才算是微重力.在地球表面或低空營造微重力環境，方法有多種(例如落塔法、懸吊法、水浮法、拋物飛行法等)，以現在微重力實驗室里的落塔為例，當落塔的下降加速度a=g,就完全失重；如a略小于g，就屬于正向微重力；如a略大于g，就屬于反向微重力.目前對微重力有許多廣義的理解，常把微重力理解為微小重力或低重力，有時衡量標準也稍稍放松一點，例如落塔實驗中，有效重力水平達到地面重力的10-4～10-5量級的微重力環境，就算是微重力狀態了.根據干擾力的來源和性質的不同，可將微重力加速度環境分為3類:

(1)準穩態加速度(幅度一般不超過10-5gn量級)，

(2)瞬態加速度(幅度通常可以到達10-5gn量級)，

(3)振動加速度(幅度一般在10-6～10-3gn量級)范圍.

如果只考慮萬有引力，以航天器為參照系應該處于完全失重狀態，可是文獻[1，2]卻由此得出宇航員處于微重力的狀態.文獻[1]得出宇航員在遠地點(距離地面350 km) 重力大約是地面重力的

3.88%，在近地點(距離地面200 km)的重力大約是地面重力的4.05%，文獻[2]在中間取了一個數值343km得出宇航員的重力大約是地面重力的0.026 %，顯然不是處于微重力狀態，計算是錯誤的，與實際也不符，事實上航天器在太空的重力環境未及地球上重力的百萬分之一到十萬分之一，是典型的微重力環境.以文獻[2]為例如果僅僅考慮萬有引力的話，在近地點和遠地點如果不考慮其他因素慣性力始終恰好抵消萬有引力，該文得出的微小差別是因為所用數據本身的精度達不到使最后結果有1 N的精度，地球半徑取6 400 km(文獻[1]取6 370 km)，只精確到100 km，該航天器的軌道高度343 km確精確到1 km，軌道半徑6 743 km，43 km是無意義的數字.以地面為參照系地球表面的重力是地球引力與地球自轉離心力的合力，如果以航天器為參照系這樣計算就錯了.

下面重新分析一下宇航員處于微重力的原因，大氣層的的高度過去認為厚約800 km，現在發現在遠離地球16 000 km的高空，還存在著氣體的痕跡.其實宇宙飛船在距離地面200～400 km的高度運動，沒有完全脫離大氣層，還受到空氣阻力等因素的影響.此外太陽光壓、太陽的電磁輻射、太陽宇宙線、太陽風、行星際磁場、銀河宇宙線、微流星體、重力梯度效應以及軌道機動、姿態控制、設備的運轉和動作、宇航員的活動等因素，使得宇宙飛船不是完全在萬有引力作用下自由運動，所以根據萬有引力計算的軌道和宇宙飛船實際運行的軌道就有微小差別，這才是宇航員處于微重力狀態的真正原因.由于這些非保守力由于相互抵消，它們的合力對于航天器軌道的影響極小，現有的儀器幾乎無法測量，所以微重力的測量只能大致估計一個區域.我國發射的第一顆人造衛星，其近地點高度h1=439 km，遠地點高度h2=2 384 km，也沒有完全脫離大氣層，人造衛星也是處于微重力環境. 萬有引力與向心力的差等于重力是對于地面系而言的，以航天器為參照系不成立.

若不考慮空氣阻力等非保守力因素，航天器里的人就完全失重，例如當航天器返回時軌跡為拋物線此時以航天器為參照系也是完全失重.假定地球繞太陽運動僅僅考慮萬有引力的因素，在地球上我們就失去了太陽對我們的引力，我們只受地球的引力.由于航天器里的微重力是由于非保守力引起的，大部分都相互抵消，剩余的微重力方向是不斷變化的，實驗中我們幾乎無法觀察，而按照文獻[1,2]的方法理解微重力的方向指向地心，那么航天器里的物體會沿著這個方向運動.

當航天器處于變軌(或軌道修正、航天器自轉運動)狀態，部分推進器處于工作狀態，除了軌道加速度外還有變軌加速度，此時航天器里的的物體也有重力，因為此時航天器并非只受到保守力——萬有引力的作用.

1張藝芳，李慧玲.宇航員失重問題討論.物理通報，2013(06)：114～115

2蔣華，周智良.太空實驗引出對“引力重力失重”問題的探討.物理通報，2014(07)：115～117

3葉玉琴. 論行星運動時其萬有引力與向心力之間的關系.物理通報,2011(11)：105～108