航空航天訓練中的微重力環境是如何模擬的?


現在我弄明白了,自問自答,也分享給大家。
人造失重環境的最通用方法叫:Reduced gravity aircraft,中文大家叫飛機拋物線飛行法。這種方法是通過飛機飛出一種拋物線的路徑來模擬始終環境,這種方法被NASA用了幾十年了,很成熟。最早的一次是1959年的水星計劃,飛行員在C-131運輸機裡面進行了首次試驗。大致的原理圖如下:


一般來說,飛機從24,000英尺(7 km)高度開始向上以1.8Gs加速度上爬,飛至34,000英尺(10 km)高度後,斜30度下落。整個過程可持續20-30秒。
如果起落點更高則時間可以更長,下落時角度越小,失重效果就越好,最長失重時間可持續6-7分鐘。
附上NASA訓練照:

2007年霍金也瘋狂了一把:

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現在這種技術已經很成熟了,也已經有公司開始做這方面的生意,如果大家感興趣,請點擊:

現在這種技術已經很成熟了,也已經有公司開始做這方面的生意,如果大家感興趣,請點擊:Zero G Corporation。看起來很不錯,有時間可以去試試,是結婚旅行,同學聚會的很好選擇。(怎麼有種做廣告的感覺…… -_-)
最後,附上凍奶超模Kate Upton為Zero G的最新宣傳照:


俯衝飛機w浩森已經說得很清楚了,有人提到落塔,落塔裝置提供的微重力時間短,世界上最大的落井裝置在日本,利用廢棄礦井改造的,總高度710米,下落490m,不過提供10s的微重力時間,且對宇航員衝擊大,不適合用於宇航員訓練的,可能在早期有用於宇航員訓練,現在已經不用了。身邊有老師參與了國內宇航員訓練水槽的製造,走訪北京航天城中哈工大參與的神七項目:在中國載人航天的旗幟下。
PS:怎樣在回答中@他人啊?
補充幾張圖片。

下面是幾張NASA的水槽訓練照片:

下面是幾張NASA的水槽訓練照片:
宇航員是怎樣煉成的 探秘NASA浮力實驗室套圖



訓練宇航員比較好的一種方法是蘇聯發明的俯衝模擬。蘇聯使用的是改裝的 伊爾—76 運輸機進行俯衝,所有的模擬設備和人員都放在機倉里,爬升到最大高度後俯衝。一次俯衝可以模擬10秒的失重。接近地面後再快速拉升,模擬發射時的過載。由於燃料消耗很大,一次起飛只能進行6次模擬。(ps.遺落戰境中有一段太空的戲就是這麼拍的)我們國家是借用俄國的設備來訓練的。其他的方法,還有用水池來模擬,但都不如俯衝模擬來得逼真。


You can simulate microgravity in an aircraft by
flying parabolic arcs, thereby producing a 20-25 second period of
weightlessness inside the aircraft. You
can produce shorter duration periods for experiments in tall 「drop towers」
(perhaps 4-8 seconds). Using a large
sounding rocket, you could produce about 6-8 minutes of microgravity for
experiments.


我見過用水的,在一個很深的大水池裡模擬,還有一種方法是運輸機在高空然後向下俯衝,俯衝階段會產生幾十秒的失重,然後實驗人員抓緊時間工作,反反覆復這樣,成本比較高。


1. 在水池裡訓練,利用水(或其他液體)的浮力抵消一部分重力
2. 飛機做自由落體運動(加速度為g),會產生一段時間(20秒)的完全失重。


主要有三種方式
一落塔,就是建一個很好的塔,然後在裡面利用自由落體運動獲得失重,中科院就有一個。
二水池,其實航天員大部分時間都是在水池裡訓練的,成本低,而且很方便,比如航天員的出艙活動。但是只能模擬力的總體效應,不能保證物體每一個部分都是失重的。
三飛機俯衝,飛機從最高點俯衝,會有大概十幾或者幾十秒的失重時間。效果和太空中失重一樣,不過成本高。


1.中性浮力水槽。這個是比較常用的進行出艙活動訓練的方式,一般水槽里會放置一個模擬艙段,航天員穿著配重過的艙外服下水模擬失重作業。
2.失重飛機。利用飛機拋物線飛行的幾十秒時間進行失重體驗,中國與法國在這方面有合作項目。
3.氣浮台。一個大型的利用氣流抵消重力的裝置,可以練習失重情況下轉運載荷設備等重物,在航天集團天津有一個。


在水池子里


前面的答案概括了幾乎所有目前地球上模擬失重的方法,包括拋物線飛機,中性浮力水槽,落塔等,但是如果著眼於日常訓練中的話,用得最多的還是中性浮力水槽。
水槽的原理是通過增減配重,使航天員在水中達到一個垂直方向的受力平衡,配合上穿戴訓練服,使得肢體運動不便,可以很大程度模擬在太空中的出倉活動。
失重飛機目前國內還沒有專門供航天員訓練使用的,之前航天員是到俄羅斯參與的失重飛機訓練,目前一些需要失重飛行的研究人員也會到法國,在法國的失重飛機上進行實驗研究。
除了失重以外,航天員日常訓練更多的是正常的體能訓練以及前庭功能訓練,保證心血管功能的機能不下降,以及前庭功能的良好狀態,因為在航天活動中給身體造成不適的更多的是發射時的超重以及失重狀態下血液的重新分布。
中國目前的航天員都是從空軍戰鬥機飛行員中挑選出的精英,身體素質適應航天飛行是完全沒有問題的(楊利偉將軍是所在單位30歲以上組100m記錄保持者我會亂說?),以後會有非職業的航天員(主要是各專業的研究者)上天參與科學研究,怎樣保障這些人對航天過程的適應是更大的難題。


水池,離心機,落塔


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