在失重飞机上做实验是种怎样的体验？

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在失重飞机上做实验是种怎样的体验？

2017 年 12 月 11 日 中科院物理所 陈梦云

我要飞上天去做实验，和太阳肩并肩……

别人的实验室，窗明几净空气好：

我的实验室，流线机舱设备多：

别的科研人员，全副武装很严肃：

我们的科研人员，正做着实验呢，就飞起来了！

我的实验室就是它：失重飞机！

ZERO-G失重飞机

什么是失重飞机？

失重飞机是目前除空间站、空间实验室和载人飞船外，唯一可获得失重环境的载人飞行平台。

失重飞机通过连续的抛物线飞行，在机上产生重复的失重和超重环境，不用进入太空，就可以模拟月球重力和火星重力环境。

由于失重飞机可提供载人失重环境，并具有准备周期短、实验空间大，特别是支持航天任务型号产品和常规地面科学实验设备开展失重实验等优点，美国、俄罗斯、日本和欧洲长期利用它开展航天员训练、空间科学和应用研究、空间设备和技术验证等工作。近期也常常被用于电影特效拍摄、失重体验科教活动等。

飞机上的失重和超重环境是如何产生的？

失重可不是指失去重力哦，而是当物体处于失重状态时除了自身重力（地球引力）外，不会受到任何外界重力场影响，也就是说失去的是来自于其它物体的支撑而不是重力。

乘坐电梯时电梯绳断裂,失去支撑产生失重

抛物线飞行产生失重

让我们来看一看失重飞机特有的抛物线飞行轨迹吧，也就是超重——失重——超重的反复循环：

抛物线飞行图示

失重飞机飞至约6000米高空后，驾驶员加速飞机至825千米/小时并拉起飞机至爬升状态，经历约20秒的1.8g的超重状态后，飞机爬升到50°角。

驾驶员迅速减小油门至平衡空气阻力大小，以580千米/小时的速度继续爬升，历时22秒的失重状态在这时开始。

到达最高点9000米左右高空后，飞行速度减至最小约370千米/小时并转为俯冲，当俯冲至42°角，结束失重。

驾驶员再次加速拉起飞机至平飞，即再次进入约20秒的超重状态，至完全平飞后准备下一次抛物线飞行。

失重飞机的抛物线飞行轨迹

总结：爬升过程中飞机上升动力大于重力，进入超重阶段，爬升到50°角时，驾驶员减小油门只保留一定功率以平衡空气阻力，上升动力趋近于零，此时飞机和机上乘员只受重力作用，相互之间没有作用力，飞机上的乘员随即感受到失重。

飞行轨迹真的是抛物线吗？

当假设飞机所受地球引力是均衡的平行竖直向下时，失重飞机进入失重状态的轨迹可以近似模拟为抛物线。

然而，地球引力场并不是平行竖直向下而是径向的，所以将地球和飞机按照经典天体力学中的二体问题来考虑更准确。

图10 失重飞机的一段飞行轨迹（图中黄色轨迹）

经研究，飞机进入失重状态之后的轨迹更近似于以地球质心为焦点之一的椭圆轨道远地点末端的一段圆弧。

在失重飞机上可以做哪些实验？

只要是需要不同等级重力环境条件的科学研究或技术验证都可以在失重飞机上开展，甚至可以在物理学、材料科学、人体生理学、动物学、植物学等领域同时开展实验，可谓是神通广大的多学科实验室。

迄今为止，科学家在失重飞机上已进行了大量科学研究，取得了丰硕成果。

物理学领域

1. 粒子光散射研究

在失重飞机上对任何颗粒的光散射测量，都可在几秒钟内进行，而且不受重力和组成成分影响。

实验中会采用不同的颗粒样品，如无烟煤颗粒、火山灰（来自印度尼西亚火山Lokon），月球粉尘模拟物、可以代表彗星材料的碳质模拟物（类似物）等。

图11 实验装置示意图

实验中，科学家通过测量样品尘埃颗粒的光学性质和尘埃颗粒的表征（组合、折射率的大小和分布、形状、形态），建立尘埃颗粒的极化相曲线。

该项实验对星云的聚集过程、彗星中的尘埃颗粒演化，以及地球甚至火星上的大气环境研究都有重要作用。

2. 沸腾传热研究

地球上的沸腾现象十分普遍，比如家中烧开水，我们经常能看见从容器底部产生气泡不断向上涌，形成水蒸气。

在失重环境下，没有对流和浮力作用，沸腾的整个过程显然不同了：

受热的液体并没有上升，而是仅仅靠近加热器的表面，并且不断地变热。液体中离加热器远的部分依然相对冷。

因为只有一小部分水受热，这部分水很快沸腾了。虽然已经形成气泡，但是它们没有到达表面。

没有浮力的影响，加热停止以后，由于表面张力的作用，使得很多的小气泡接合在一起，形成一个大气泡（就像下面这张图的气泡）。

不同重力环境中的沸腾现象（左：地球重力下右：失重情况下）

沸腾传热由于其换热系数大，也常用于一些需要强冷却和强化传热的场合，如火箭发动机及其尾喷管、核反应堆堆芯、连续浇铸、金属淬火和热管技术等。

在失重环境下，沸腾过程中产生的气泡行为和在正常重力情况下完全不同。原本浮力作为气泡分离的主要原因在失重环境下减弱，其他因素的影响得以体现，例如惯性引发气泡脱离或聚合。

多次实验表明，在过重力和微重力的过渡阶段，也就是飞机进行抛物线轨迹飞行的起始阶段，可以研究不同的微重力等级对气泡行为的影响。

不同重力等级下的沸腾实验数据结果（从左至右，重力逐渐降低：地球、火星、月球、太空）

人体生理学

这是在失重飞机上开展的手部灵活操作实验。

手部灵活操作实验

科学家对受试者的手臂运动轨迹和运动控制建模，受试者采取肩部固定手臂摆动的姿势，并保持精确抓握。

实验过程中，科学家测量受试者的指尖力、握力和负载力，和正常重力条件下进行对比，补充数据库，优化手臂控制函数。

通过失重飞机上的敏捷操作实验，研究人员可以扩大对运动控制和运动感觉协调的认识，将来可运用到假肢的设计当中，其中正确识别感知信号对成功的运动控制是非常重要的。

技术验证

2017年4月20日，中国第一艘货运飞船“天舟一号”成功发射。天舟一号上开展了4项科学实验任务，其中一项是主动隔振关键技术验证。这项实验中所采用的实验装置，是一种减振器，通过主动控制，为精密实验仪器提供更“安静”的实验环境，满足科学实验需求。

主动隔振系统参加抛物线飞行实验

为了充分验证主动隔振装置的功能和性能、满足各项技术要求、适应太空失重环境，主动隔振装置曾参加抛物线飞行实验。在4个架次的飞行中，主动隔振装置开展失重实验124次，成功验证了主动隔振装置六自由度闭环控制功能含4种实验算法（共10套参数），在失重环境下的锁紧、解锁功能，以及多套控制算法的稳定性和隔振性能等。失重实验获得了大量关键数据，为改进装置设计，保障任务成功发挥重要作用。

在科普教育方面，失重飞机也可以大显身手。失重飞机能培养青年学生对科学研究的兴趣和运用科技知识的能力。欧洲空间中心特别建立失重飞机教育项目，每年为欧洲教育机构提供抛物线飞行实验机会。

说不定，以后你的毕业设计就是这样完成的呢！