太空中的“失重”和“超重”

韩吉辰

1969年7月21日，月球上第一次出现了人类的脚印。美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗身穿着十分臃肿的宇航服，跳跃式前进，进行一番月宫探险。你知道这件宇航服重量是多少吗?在地球上连氧气背包一共有100多千克重。要是在地球上面，穿上它真是举步艰难。可是在月球上宇航员却很轻松，原来，这件沉重的宇航服在月球上面，变得只有不到20千克重了。

奇妙的失重世界

我们知道，物体的重量是由于地球对物体的吸引力而产生的，这时物体受到的力叫做“重力”。

需要指出的是：物体的“质量”是固定数值，不会随位置而改变，而物体的“重量”数值则会有所变化。同一物体在地球赤道上的重量比在两极要小一些；在同一地方离开地面越高，则重量越轻，每升高1千米，重量大约减轻万分之三。如果物体升高到6400千米(这个数值相当于地球半径)时，物体的重量只有原来的1/4，如果继续升高则地球对物体的引力越来越小，最后将失去了重量，这一系列的变化就是失重现象。

除了高度影响重量外，运动速度也能改变重量。坐电梯时，当开始快速下降时，有一种“提心吊胆”的感觉，启动速度越快，感觉越强烈。如果你站在电梯中的台秤上，就可以发现：体重数值变小了!这也是一种失重现象。设想电梯钢索断裂而自由下落(当然实际不会发生)，你会发现：台秤上显示你的体重数值等于0，这时就是“完全失重”了。

圆周运动也会出现这种现象，游乐场的高速“过山车”以及各种航天器都是利用这个原理。当飞行速度达到7.9千米/秒，就会在地球引力作用下围绕地球运动而不掉下来。这时地球的引力正好等于航天器圆周运动所需的向心力，这个速度叫做“第一宇宙速度”。

“失重空间”打造“太空合金”

失重也是一种极其宝贵的资源。人们可以利用太空中的失重条件，生产在地球上无法获得的新型产品。目前，这样的工厂已经涉及到制药、冶金、电子和机械制造等领域，而且正在向更为广阔的方向发展。

在太空中，由于排除了重力的作用，人们就可以提取在地面上无法提取的疫苗和干扰素。一些合金，例如铝钨合金，在地面上受到重力影响，始终没有取得成功。其原因就因为它们是两种不同性质的金属材料，很难进行化合。铝是轻金属，熔点仅有660℃，沸点也只有2467℃；钨是重金属，熔点高达3380℃，是地球上最难熔化的金属之一。若要把铝和钨放在一起熔炼，钨还呈现固体形态时，铝就早已气化了。即使把它们分别熔化，也不能融合在一起，而是呈现不同的层次。如果把这两种金属转移到失重空间进行冶炼，固体钨在铝液中均匀融解。熔化的金属经过冷却后，便得到带有孔隙的海绵状的铝钨合金。失重空间里还能得到高纯度半导体材料和理想圆度的轴承滚珠。

不可忽视的超重现象

在坐电梯加速上升时，你会感到血液向下涌去，有一种受到压力的感觉。如果这时你站在台秤上，就会发现你的体重数值会有所增加，这就是所谓的超重现象。

在载人航天活动中，超重现象主要发生在航天器的发射和返回阶段中。巨型三级火箭要把航天器加速到第一宇宙速度，在加速过程中，载人航天器中的设备和航天员，都会产生超重现象。同样道理，载人航天器在返回地面时，需要从第一宇宙速度急速降低，这时宇航员又一次进入超重状态。

宇航员必须接受严格的超重训练，在正常环境中，我们承受一个G的重力，在这里用G表示地球表面重力加速度，数值为9.8米/秒²。宇航员一般要进行承受3G～4G，最高8G的“超重”训练。利用大型离心机，甚至可以达到10G的效果。

早期运载火箭每级发动机燃烧时间比较短，所达到的加速度峰值较高，是7G～9G的数值，对于航天器设备带来损坏，宇航员也难以承受。后来随着航天技术的发展，发射和返回时的超重现象有所减轻，一般不超过5G的数值。尤其是航天飞机条件更好了，不但经过特殊训练的宇航员完全可以适应，一般健康的人也可以乘坐。

兄弟行星的重力

如果宇航器在到达卫星轨道的“第一宇宙速度”以后，它的速度继续加快，当达到11.2千米/秒时，地球的引力就拉不住它了，宇航器就可以脱离地球，这时的速度称为“第二宇宙速度”。自从1961年以来，人类已经多次发射无人宇宙飞船，探测了金星、火星、水星和木星等。不久的将来，人类还要亲自登门“拜访”这些兄弟行星。

前面提到，100多千克的宇航服，在月球上仅有近20千克重，那是因为月球的引力只有地球的1/6。但是，如果穿这件宇航服，到了兄弟行星上面，将会有多重呢?科学家经过仔细测量研究，主要是根据行星的质量及球体半径进行计算，然后告诉了我们这些数据：在地球上1千克重的物体，到了水星仅有0.37千克重；到了金星有0.88千克重；到了火星有0.38千克重；到了木星有2.64千克重；到了土星有1.15千克重；到了天王星有1.17千克重；到了海王星有1.18千克重；而到了冥王星时，仅有0.05千克重了。

可见，即使我们前去拜访重力较小的水星或火星，这件宇航服也有近40于克重，象个沉重的包袱，绝不会像在月球上那样轻松了。因此科学家面临的一个重要课题就是研制高性能而重量轻的“火星服”，标准是在地球上的重量不能超过45千克重。

如果冒险前去木星探险，那可了不得啦!这件“登月宇航服”就会把宇航员压垮(它将变成将近300千克重)，而且宇航员本身的体重也会变重，如果80千克的体重，在木星上面就会变成200多千克重的“巨胖”。这是一个宇宙航行探险中必须解决的一个难题。

还有的读者会问：太阳上的重力是多少呢?太阳是整个太阳系的中心，表面温度就达6000℃，因此任何航天器都到不了那里。根据研究计算，太阳表面的重力很大，地球上1千克重的物体在太阳表面是28千克重!

太空站的“人造重力”

有人也许会认为：还是失重好!轻飘飘跟神仙似的。其实不对，我们长期生长在地球上，已经适应有引力的生活。如果在太空站长期处于失重状态，将会产生骨骼损耗及免疫系统失调等一系列问题，有损人体健康。

现在国际太空“空间站”上，已经有多名宇航员在工作，美国航空航天局目前用于减轻零重力对人体影响的方法，主要是内服药物和进行适应性锻炼，还有身穿“抗荷服”，这是一种可充气的紧身裤，在裤内有很多侧管，管内充气时可以压迫下肢的静脉，防止血液潴留，促使全身血液循环。但是，目前还不知道应用上述措施是否能顺利完成持续一年以上的火星探险任务。因此科学家必须考虑在太空站制造“人造重力”的问题。

制造“人造重力”，从理论上说并不复杂，就是旋转——让空间站和飞向火星的飞船绕自身轴‘旋转起来。这时宇航员有被向外甩出的趋势，而空间站和宇宙飞船的内壁阻挡着他，宇航员就对内壁有了压力，与在地球上有“重力”的感觉相近，这就是制造“人造重力”的简单原理。

科学家计算后描述，一个直径450米的圆柱型空间站，如果一分钟绕轴自转两周，在内壁产生的“人造重力”几乎与地球相似。如果这个空间站有1千米高，那么内壁面积可超过1平方千米，能够容纳1万人居住。

如果一个直径1800米的球型太空“空间站”，每分钟绕轴心自转1周；你居住在内壁“赤道”地区，那里的“人造重力”也会和地球差不多；倘若你到了空间站北纬60度的地方，你会吃惊地发现体重减轻了一半；假如你到了北纬80度，就仿佛到了月球，体重只有1/6啦!一跺脚就登上高台；要是到了太空站的“北极”，引力等于零，你又要尝到“飘飘欲仙”失重的滋味了。

宇航时代的重力之谜十分复杂，对于人类飞向太空又极其重要，这个课题还等待我们继续深入地进行研究呢!(文章代码：2009)

责任编辑庞云