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如何模擬失重環境?科研中的七種方法

有時候你需要擺脫地球的重力,想要知道什麼是失重的感覺卻無法讓你自己進入國際空間站?其實你還有其它的選擇。


世界上有許多觀察需要在零重力或者微重力條件下進行,在天體物理學、天體生物學、物理學和化學等領域尤為如此。將人類或者設備送上太空並不是最實際的選擇,幸運的是,我們在地球上也能用這7中方法創造出微重力環境:


1、落管;2、落塔;3、拋物線飛行;4、水下訓練;5、探空火箭;6、返回式衛星;7、平流層氣球。

微重力落管(零重力設備,位於美國俄亥俄州克利夫蘭路易斯區John H. Glenn研究實驗室)

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感謝這個143米深的地下真空室,NASA的科學家們能夠再現失重狀態。他們將一輛重達907公斤重的汽車丟下之後,能讓它進行歷時5.18秒的垂直俯衝,讓它進入自由落體狀態。


落塔Fallturm Bremen

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Fallturm Bremen是德國布萊梅大學應用空間技術和微重力中心(ZARM)的一座落塔。它那123米高的舟可讓人們進行長達4.74秒的自由落體實驗,如果使用投石機的話,這一時間可延長至9秒。這座令人印象深刻的塔由鋼筋混凝土製作而成,高146米。


2.2秒落塔,位於格倫研究中心

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位於俄亥俄州Brookpark的NASA格倫2.2秒落塔原本只是一座30米高的燃料凈化塔。它被重建之後,充當了五十年的2.2秒微重力影響研究台柱。這一測試時間能讓實驗物品從8樓高的地方飛到1樓。


俄羅斯車裡雅賓斯克Makeyev國家火箭中心的真空動力站

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這座俄羅斯落塔可被用來測試重達30噸的全尺寸太空硬體,人們只需將它們從30米高的真空室中丟下即可。


國家微重力實驗室(中國北京)

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中國科學院微重力重點實驗室的這座巨塔是中國的微重力研究中心。它也能進行全尺寸太空硬體測試,也是中國載人航天項目必須進行的環節。


零重力航天器(也被稱作失重奇蹟,嘔吐彗星)

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當飛行器沿著相對地球中心而言的拋物線飛行軌跡飛行時,人們能在這個航天器里再現微重力環境。這個航天器在飛行過程中的某個特定點處於自由落體狀態,因此裡面的實驗或者人類也處於自由落體狀態。


中性浮力池裡的微重力

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巨大的室內水箱和水池,比如休斯頓的中性浮力實驗室或者它的繼任者、馬歇爾航天中心的中性浮力模擬池(MSFC),也能幫助科學家們模擬 失重環境,讓宇航員們體會進行太空任務時的感覺。感謝水產生的浮力作用,人們可以設計能在太空使用的硬體,並練習在太空中組裝結構所需的技術。 探空火箭

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這些苗條的、低成本的固體燃料推進研究用火箭能夠在太空邊緣進行短時間實驗(大約距離地面50千米-1500千米處)。除了可回收衛星外,如果你沒辦法去國際空間站,那麼它也是你最佳的替代選項。


可回收衛星

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除了可回收的科學研究用衛星之外,人們通常沒有給衛星設計回到地球的功能。下圖裡是中國的子彈形探測器,科學家們能在這上面做許多實驗,包括微重力流體物理、微重力燃燒、太空材料、太空輻射影響、微重力生物效應以及太空生物技術。感謝它那複雜的結構、形狀和燒蝕塗層,它在軌道上待了預定的時間之後可以倖存下來。


平流層氣球

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將物品從高處拋下是一種做自由落體實驗的可靠方法。如果落塔和落管還不夠,那麼你可以選擇用平流層氣球。研究人員們通常會拋下一個集裝箱來做實驗。下圖是日本航空航天局研發的一個球載平台,為了獲得微重力,研究人員們將一個像火箭一樣的設備,從40千米的高空拋下。

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