《火星救援》电影中的几个趣味物理常识研究

王澍

《火星救援》是近期播放的美国科幻片，影片讲述了六位宇航员在火星上执行任务时，由于火星上的一场沙尘暴灾难，迫使宇航员逃离火星，乘上赫尔墨斯号飞船（简称飞船），踏上返回地球之路，而男主角马可因故与团队失联，孤身一人被置身于火星，在孤独绝望、食物匮乏的状态下，马可运用各种物理、化学、数学、植物学等知识，在火星上整整生活了561天，最终获救.影片中的整个救援过程充满了科学性，这是令我最感兴趣的地方，下文将利用高中学科知识，对影片中几个科学现象进行粗浅研究.

1 赫尔墨斯号飞船逃离火星及折回救援马可的飞行过程物理分析

赫尔墨斯号载着五位宇航员，脱离火星飞向地球，在接近地球的时候，决定返回火星救援马可，最终成功救出马克，并顺利第二次返回地球.其救援飞行过程如图1所示：

火星未发生灾难前，飞船利用火星的第一宇宙速度原理，环绕火星飞行.

发生灾难后，其中五名宇航员乘坐火星上的返回舱，并将其加速到火星第一宇宙速度，在环星轨道A处和飞船对接，宇航员进入飞船避难，马可一人被丢在火星.

然后，飞船加速到火星第二宇宙速度，该过程由于动量守恒原理，需要消耗大量燃料，在环星轨道B处飞船脱离火星引力进入返回地球轨道，依靠惯性飞向地球（太空阻力约为零）.

飞船在途中C处获知了马可还活着的消息，但当时飞船正在按照预定轨道飞向地球，以第二宇宙速度级别远离火星，飞船上的燃料不足以支持飞船直接掉头飞火星救人.

当飞船接近地球，在D处时，恰好中国发射深空卫星的大推力火箭太阳神号已经准备好，中美联合救援，飞船上宇航员决定飞行绕过地球，折回火星救人.

飞船在E处，以火星第二宇宙速度接近地球，利用地球引力进行加速，以不低于地球第二宇宙速掠过地球.同时，地球NASA利用太阳神号将补给舱加速到和飞船相同的第二宇宙速度进行补给，否则飞船宇航员错过了补给，将无法生存.

赫尔墨斯号成功加速和补给后，在F处以地球第二宇宙速度脱离地球引力，依靠惯性（太空阻力约为零），以地球第二宇宙速度级别飞行火星.

飞船到达火星附近后，准备和马可乘坐的返回舱对接，由于的燃料不够，飞船无法减速到第一宇宙速度环绕火星飞行，所以马可必须把乘坐的返回舱加速到第二宇宙速度，才能和第二宇宙速度的飞船对接，所以马可要为返回舱减重，在有限的距离内加速到第二宇宙速度，承受了超过12个g的加速度，最后马可在M处成功获救.

飞船借火星引力掉头加速，以不低于火星第二宇宙速度，脱离火星引力，依惯性返回地球，到地球附近N处减速到地球第一宇宙速度，在P处被地球的引力俘获而环地飞行，在K处宇航员乘返回舱再入大气层回地面.

3 太空舱中的人工重力分析

众所周知，太空飞行存在“失重”的现象，但在赫尔墨斯号飞船中，宇航员在太空舱中正常生活，甚至在跑步机上进行锻炼，显然太空舱中并没有所谓“失重”，这是什么原因？原来，飞船太空舱一边沿着预定轨道向前飞行，一边自身进行旋转，宇航员随着太空舱同步做圆周运动，太空舱地板给宇航员一个向心力，提供向心加速度，这个向心力，使人和太空舱之间产生相互作用力，从而使宇航员觉得有“重量”，这就是人工重力，这个力类似于人在地球表面时，地面对人施加一个力来平衡重力，使人感觉到“重量”，也使人能够像在地球表面那样行走、运动.

上文利用高中物理和数学知识，在假定条件下，对《火星救援》电影中所表述的有关有趣现象进行了浅显的分析，深深感到高中所学的数学、物理知识的奇妙，它们不是一堆枯燥的公式，而是解决自然问题的工具.这部电影中，还有其它可以用高中知识进行解释的科技现象，在此不赘述了.观看这部电影，不仅获得了视觉盛宴，也使我认识到知识的趣味性和重要性，增加了对数学、物理的学习兴趣.