宇航员失重问题的再探讨

卜春彦

(吉林大学物理学院　吉林 长春　130023)



宇航员失重问题的再探讨

卜春彦

(吉林大学物理学院吉林 长春130023)

介绍了完全失重与微重力的概念，重新剖析了宇航员失重的真正原因.

宇航员微重力完全失重精确度大气层

1　宇航员失重问题的分析

完全失重即物体的视重为零，例如自由下落(平抛运动、斜抛运动等)的物体重力提供了物体向下的加速度，以该物体为参照系是处于完全失重状态，以地面为参照系重力是地球引力与地球自转离心力的合力，重力为mg.人造地球卫星、宇宙飞船、空间站、航天飞机等航天器进入轨道后，如果只从万有引力的角度出发，就是广义相对论所讲的局域惯性系，物体在航天器中就好像没有万有引力一样，不需要支持物提供支持力就可以相对航天器静止，即处于失重状态.

为了讨论宇航员失重问题，我们写出牛顿第二定律

f=ma

(1)

这里m为宇航员的质量，f为宇航员所受地球之万有引力，a为宇航员在地心坐标系加速度矢量.于是，我们有

(2)

(3)

由于宇宙飞船在地心坐标系有加速度a，于是宇宙飞船里便有惯性力场存在，其惯性力场强度为-a，则

(4)

宇航员在宇宙飞船里即受万有引力作用又受惯性力f′作用

(5)

f+f′= 0，即f-ma=0.即宇航员所受合力为零，即宇航员失重了. 在宇宙飞船里用弹簧测力计无论如何也测量不出人和物的重量了，弹簧测力计无法使用了. 宇航员失重并不是失去了地球的引力，而是由于宇航员随宇宙飞船一起绕地心运动产生的惯性力抵消了地球对他的引力，这就是失重的本质所在.

图1

如果不考虑非保守力因素的话航天器的运行轨道为椭圆轨道，文献[2]按照圆形轨道计算也存在误差，r≠R.

通过上面的分析可以得出文献[2]和文献[1]中出现的误差是精确度等原因造成的计算误差，失重是等效原理的结果.文献[2]比文献[1]取宇宙飞船离地面的高度还低，但是得出数值比文献[1]还低也说明了这一点，两篇文章采用的地球半径、地球质量都不相同.所以文献[2]中的香港凤溪小学生说“希望未来能到太空体验失重状态下的感受”是完全正确的(因为非保守力作用的影响非常小，几乎无法测量)，把这句话改为“希望未来能到太空体验微重力状态下的感受”是不对的.

北京电视台播音员说“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在脱离地球引力那一瞬间给她带来的感受”，应该改为“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在入轨那一瞬间给她带来的感受”，因为一入轨即处于失重状态了.

2　航天器里的微重力问题

严格地说，微重力是指低到有效重力水平为地球表面重力的百万分之一，才算是微重力.在地球表面或低空营造微重力环境，方法有多种(例如落塔法、悬吊法、水浮法、抛物飞行法等)，以现在微重力实验室里的落塔为例，当落塔的下降加速度a=g,就完全失重；如a略小于g，就属于正向微重力；如a略大于g，就属于反向微重力.目前对微重力有许多广义的理解，常把微重力理解为微小重力或低重力，有时衡量标准也稍稍放松一点，例如落塔实验中，有效重力水平达到地面重力的10-4～10-5量级的微重力环境，就算是微重力状态了.根据干扰力的来源和性质的不同，可将微重力加速度环境分为3类:

(1)准稳态加速度(幅度一般不超过10-5gn量级)，

(2)瞬态加速度(幅度通常可以到达10-5gn量级)，

(3)振动加速度(幅度一般在10-6～10-3gn量级)范围.

如果只考虑万有引力，以航天器为参照系应该处于完全失重状态，可是文献[1，2]却由此得出宇航员处于微重力的状态.文献[1]得出宇航员在远地点(距离地面350 km) 重力大约是地面重力的

3.88%，在近地点(距离地面200 km)的重力大约是地面重力的4.05%，文献[2]在中间取了一个数值343km得出宇航员的重力大约是地面重力的0.026 %，显然不是处于微重力状态，计算是错误的，与实际也不符，事实上航天器在太空的重力环境未及地球上重力的百万分之一到十万分之一，是典型的微重力环境.以文献[2]为例如果仅仅考虑万有引力的话，在近地点和远地点如果不考虑其他因素惯性力始终恰好抵消万有引力，该文得出的微小差别是因为所用数据本身的精度达不到使最后结果有1 N的精度，地球半径取6 400 km(文献[1]取6 370 km)，只精确到100 km，该航天器的轨道高度343 km确精确到1 km，轨道半径6 743 km，43 km是无意义的数字.以地面为参照系地球表面的重力是地球引力与地球自转离心力的合力，如果以航天器为参照系这样计算就错了.

下面重新分析一下宇航员处于微重力的原因，大气层的的高度过去认为厚约800 km，现在发现在远离地球16 000 km的高空，还存在着气体的痕迹.其实宇宙飞船在距离地面200～400 km的高度运动，没有完全脱离大气层，还受到空气阻力等因素的影响.此外太阳光压、太阳的电磁辐射、太阳宇宙线、太阳风、行星际磁场、银河宇宙线、微流星体、重力梯度效应以及轨道机动、姿态控制、设备的运转和动作、宇航员的活动等因素，使得宇宙飞船不是完全在万有引力作用下自由运动，所以根据万有引力计算的轨道和宇宙飞船实际运行的轨道就有微小差别，这才是宇航员处于微重力状态的真正原因.由于这些非保守力由于相互抵消，它们的合力对于航天器轨道的影响极小，现有的仪器几乎无法测量，所以微重力的测量只能大致估计一个区域.我国发射的第一颗人造卫星，其近地点高度h1=439 km，远地点高度h2=2 384 km，也没有完全脱离大气层，人造卫星也是处于微重力环境. 万有引力与向心力的差等于重力是对于地面系而言的，以航天器为参照系不成立.

若不考虑空气阻力等非保守力因素，航天器里的人就完全失重，例如当航天器返回时轨迹为抛物线此时以航天器为参照系也是完全失重.假定地球绕太阳运动仅仅考虑万有引力的因素，在地球上我们就失去了太阳对我们的引力，我们只受地球的引力.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断变化的，实验中我们几乎无法观察，而按照文献[1,2]的方法理解微重力的方向指向地心，那么航天器里的物体会沿着这个方向运动.

当航天器处于变轨(或轨道修正、航天器自转运动)状态，部分推进器处于工作状态，除了轨道加速度外还有变轨加速度，此时航天器里的的物体也有重力，因为此时航天器并非只受到保守力——万有引力的作用.

1张艺芳，李慧玲.宇航员失重问题讨论.物理通报，2013(06)：114～115

2蒋华，周智良.太空实验引出对“引力重力失重”问题的探讨.物理通报，2014(07)：115～117

3叶玉琴. 论行星运动时其万有引力与向心力之间的关系.物理通报,2011(11)：105～108