在失重飛機上做實驗是種怎樣的體驗?

　　我要飛上天去做實驗，和太陽肩並肩……別人的實驗室，窗明几淨空氣好：

我的實驗室，流線機艙設備多：

別的科研人員，全副武裝很嚴肅：

我們的科研人員，正做著實驗呢，就飛起來了！

　　我的實驗室就是它：失重飛機！

ZERO-G失重飛機

　　什麼是失重飛機？

　　失重飛機是目前除空間站、空間實驗室和載人飛船外，唯一可獲得失重環境的載人飛行平臺。

　　失重飛機通過連續的拋物線飛行，在機上產生重複的失重和超重環境，不用進入太空，就可以模擬月球重力和火星重力環境。

　　由於失重飛機可提供載人失重環境，並具有準備周期短、實驗空間大，特別是支持航天任務型號產品和常規地面科學實驗設備開展失重實驗等優點，美國、俄羅斯、日本和歐洲長期利用它開展航天員訓練、空間科學和應用研究、空間設備和技術驗證等工作。近期也常常被用於電影特效拍攝、失重體驗科教活動等。

　　飛機上的失重和超重環境是如何產生的？

　　失重可不是指失去重力哦，而是當物體處於失重狀態時除了自身重力（地球引力）外，不會受到任何外界重力場影響，也就是說失去的是來自於其它物體的支撐而不是重力。

乘坐電梯時電梯繩斷裂，失去支撐產生失重

　　拋物線飛行產生失重

　　讓我們來看一看失重飛機特有的拋物線飛行軌跡吧，也就是超重——失重——超重的反覆循環：

拋物線飛行圖示

　　失重飛機飛至約6000米高空後，駕駛員加速飛機至825千米/小時並拉起飛機至爬升狀態，經歷約20秒的1.8g的超重狀態後，飛機爬升到50°角。

　　駕駛員迅速減小油門至平衡空氣阻力大小，以580千米/小時的速度繼續爬升，歷時22秒的失重狀態在這時開始。

　　到達最高點9000米左右高空後，飛行速度減至最小約370千米/小時並轉為俯衝，當俯衝至42°角，結束失重。

　　駕駛員再次加速拉起飛機至平飛，即再次進入約20秒的超重狀態，至完全平飛後準備下一次拋物線飛行。

失重飛機的拋物線飛行軌跡

　　總結：爬升過程中飛機上升動力大於重力，進入超重階段，爬升到50°角時，駕駛員減小油門只保留一定功率以平衡空氣阻力，上升動力趨近於零，此時飛機和機上乘員只受重力作用，相互之間沒有作用力，飛機上的乘員隨即感受到失重。

　　飛行軌跡真的是拋物線嗎？

　　當假設飛機所受地球引力是均衡的平行豎直向下時，失重飛機進入失重狀態的軌跡可以近似模擬為拋物線。

　　然而，地球引力場並不是平行豎直向下而是徑向的，所以將地球和飛機按照經典天體力學中的二體問題來考慮更準確。

圖10 失重飛機的一段飛行軌跡（圖中黃色軌跡）

　　經研究，飛機進入失重狀態之後的軌跡更近似於以地球質心為焦點之一的橢圓軌道遠地點末端的一段圓弧。

　　在失重飛機上可以做哪些實驗？

　　只要是需要不同等級重力環境條件的科學研究或技術驗證都可以在失重飛機上開展，甚至可以在物理學、材料科學、人體生理學、動物學、植物學等領域同時開展實驗，可謂是神通廣大的多學科實驗室。

　　迄今為止，科學家在失重飛機上已進行了大量科學研究，取得了豐碩成果。

　　物理學領域

　　1。 粒子光散射研究

　　在失重飛機上對任何顆粒的光散射測量，都可在幾秒鐘內進行，而且不受重力和組成成分影響。

　　實驗中會採用不同的顆粒樣品，如無煙煤顆粒、火山灰（來自印度尼西亞火山Lokon），月球粉塵模擬物、可以代表彗星材料的碳質模擬物（類似物）等。

圖11 實驗裝置示意圖

　　實驗中，科學家通過測量樣品塵埃顆粒的光學性質和塵埃顆粒的表徵（組合、折射率的大小和分布、形狀、形態），建立塵埃顆粒的極化相曲線。

　　該項實驗對星雲的聚集過程、彗星中的塵埃顆粒演化，以及地球甚至火星上的大氣環境研究都有重要作用。

　　2。 沸騰傳熱研究

　　地球上的沸騰現象十分普遍，比如家中燒開水，我們經常能看見從容器底部產生氣泡不斷向上湧，形成水蒸氣。

　　在失重環境下，沒有對流和浮力作用，沸騰的整個過程顯然不同了：

　　受熱的液體並沒有上升，而是僅僅靠近加熱器的表面，並且不斷地變熱。液體中離加熱器遠的部分依然相對冷。

　　因為只有一小部分水受熱，這部分水很快沸騰了。雖然已經形成氣泡，但是它們沒有到達表面。

　　沒有浮力的影響，加熱停止以後，由於表面張力的作用，使得很多的小氣泡接合在一起，形成一個大氣泡（就像下面這張圖的氣泡）。

不同重力環境中的沸騰現象（左：地球重力下 右：失重情況下）

　　沸騰傳熱由於其換熱係數大，也常用於一些需要強冷卻和強化傳熱的場合，如火箭發動機及其尾噴管、核反應堆堆芯、連續澆鑄、金屬淬火和熱管技術等。

　　在失重環境下，沸騰過程中產生的氣泡行為和在正常重力情況下完全不同。原本浮力作為氣泡分離的主要原因在失重環境下減弱，其他因素的影響得以體現，例如慣性引發氣泡脫離或聚合。

　　多次實驗表明，在過重力和微重力的過渡階段，也就是飛機進行拋物線軌跡飛行的起始階段，可以研究不同的微重力等級對氣泡行為的影響。

　　不同重力等級下的沸騰實驗數據結果（從左至右，重力逐漸降低：地球、火星、月球、太空）

　　人體生理學

　　這是在失重飛機上開展的手部靈活操作實驗。

手部靈活操作實驗

　　科學家對受試者的手臂運動軌跡和運動控制建模，受試者採取肩部固定手臂擺動的姿勢，並保持精確抓握。

　　實驗過程中，科學家測量受試者的指尖力、握力和負載力，和正常重力條件下進行對比，補充資料庫，優化手臂控制函數。

　　通過失重飛機上的敏捷操作實驗，研究人員可以擴大對運動控制和運動感覺協調的認識，將來可運用到假肢的設計當中，其中正確識別感知信號對成功的運動控制是非常重要的。

　　技術驗證

　　2017年4月20日，中國第一艘貨運飛船「天舟一號」成功發射。天舟一號上開展了4項科學實驗任務，其中一項是主動隔振關鍵技術驗證。這項實驗中所採用的實驗裝置，是一種減振器，通過主動控制，為精密實驗儀器提供更「安靜」的實驗環境，滿足科學實驗需求。

主動隔振系統參加拋物線飛行實驗

　　為了充分驗證主動隔振裝置的功能和性能、滿足各項技術要求、適應太空失重環境，主動隔振裝置曾參加拋物線飛行實驗。在4個架次的飛行中，主動隔振裝置開展失重實驗124次，成功驗證了主動隔振裝置六自由度閉環控制功能含4種實驗算法（共10套參數），在失重環境下的鎖緊、解鎖功能，以及多套控制算法的穩定性和隔振性能等。失重實驗獲得了大量關鍵數據，為改進裝置設計，保障任務成功發揮重要作用。

　　在科普教育方面，失重飛機也可以大顯身手。失重飛機能培養青年學生對科學研究的興趣和運用科技知識的能力。歐洲空間中心特別建立失重飛機教育項目，每年為歐洲教育機構提供拋物線飛行實驗機會。

　　說不定，以後你的畢業設計就是這樣完成的呢！

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