在地球上如何模擬太空失重環境？
目前，空間微重力環境地面模擬主要通過以下手段實現：落塔法、拋物飛行法、水浮法、懸吊法、氣懸浮法以及在醫學、生理學中應用的頭低腳高位卧床法（人體）和尾部/後肢懸吊法（動物）。
1、落塔法
落塔法就是在微重力塔中執行自由落體運動，物體在作自由落體運動時可以獲得很好的微重力狀態。實驗系統一般由內外兩部分組成，內部主要是內層實驗艙和外層隔離艙，外部主要為塔體或管壁和對下落艙的操作裝置、釋放機構、減速回收裝置、提升裝置和抽真空裝置等。
美國的NASA研究中心建立了第一個落塔，能夠實現
圖1 NASA落塔試驗俯視圖
圖2為日本的JAMIC微重力落塔，該塔是建在一個高710m的煤礦豎井中，其自由落體高度為490m，是世界上第一個擁有10s實驗時間的微重力塔，目前已經完成了空間機器人的捕獲目標實驗。
圖2 日本JAMIC落塔
圖3、圖4所示為德國的布萊梅落塔及其吊艙結構，位於德國應用空間技術與微重力中心。落塔建成於1990年，高146m，可以模擬10s的空間站微重力現象。
圖3 德國布萊梅微重力落塔
圖4 德國布萊梅微重力落塔吊艙
落塔法對空間微重力環境的模擬精度較高、安全可靠、可重複利用，且可以進行三維空間的微重力實驗。缺點是：造價高，由於實驗艙尺寸的限制，通用性差，而且單次微重力模擬時間過短，使得對於飛行器的各種設備性能指標無法較好的考核，在空間機器人地面微重力模擬實驗應用方面受到很大限制。
2、拋物飛行法
拋物飛行法可以創造微重力和低重力環境，失重飛機能夠創造相對長時延的失重環境，失重時間可達20～30s作用，可以創造低重力（如月球和火星重力）的試驗環境，是近地面進行微重力研究較為理想的試驗平台，美國、俄羅斯、法國等都建造有不同類型的失重飛機。飛機失重拋物線飛行分為如下4個階段：首先飛機平飛，然後加速上行，接著躍升拉起至高點後進入拋物線軌跡進行失重狀態飛行，接著俯衝拉起進入平飛後結束。
圖5 飛機拋物線運動產生微重力示意圖
圖6 KC-135A失重飛機中進行飛行器對接試驗
圖7航天員在KC-135A失重飛機中進行訓練
拋物飛行法對微重力環境的模擬精度較高，失重飛機可重複利用，也可以進行三維空間的微重力實驗。缺點是：造價昂貴，不僅受到空間機器人外形尺寸的影響，同時也受到飛行器重量的影響，且飛行的安全性也要考慮。由於單次實驗的微重力實驗時間短，因此對飛行器的各種設備的性能指標無法較好校核。
3、水浮法
水浮法就是利用水的浮力來抵消空間飛行器重力，通過調整裝置來調整漂浮器的浮力，使得試驗目標所受向上的水浮力與向下的重力平衡，進而產生隨機平衡漂浮狀態的一種微重力模擬方法。
目前，中性浮力水槽訓練已成功應用於：1）航天員訓練。美國和俄羅斯/蘇聯航天在載人航天飛行前均在中性浮力模擬失重訓練設備中，經受過多次訓練，以體會失重情況下的漂浮感，掌握在失重情況下穿航天服的人體運動的協調性、姿態控制方法，以及掌握出艙活動、空間操作、運送貨物和修理航天器的技能。2）實施任務支援。對於載人航天飛行期間發生的意外故障，可在中性浮力水槽內研究解決的對策與故障排除程序。3）對接和組裝大型空間結構。利用中性浮力模擬試驗設備可進行大型空間結構的對接和組裝試驗，從而保證了空間結構和組裝程序的安全可靠，並培訓航天員在軌操作的技能。4）評價硬體設計。利用中性浮力水槽可評價載人航天器採用的各種機構和可伸展的輕質柔性構件等在失重狀態下的設計是否合理、性能是否可靠，以及驗證它們的運動特性等。
圖8 NASA進行水浮試驗
圖9 Ranger機器人水浮系統
目前各個航天大國都有自己的水浮試驗系統，其中具有代表性的是馬里蘭大學研製的Ranger試驗系統，Padova大學的CISAS重心研製的水下機器人系統。
水浮法可以實現三維空間的微重力試驗，且試驗時間不受限制。其缺點是：水的阻力和紊流會改變機器人的動力學特性，影響了機器人的模擬精度；另外，空間機器人原型樣機很難直接在水浮系統上進行測試，必須進行專門防水處理以免受到水下環境的影響，而且其維護成本非常高，同時要求試驗期間的密封性非常好。
4、懸吊法
懸吊法的主要原理是通過繩索機構及滑輪組並利用配重來抵消飛行器自身的重力，即採用吊絲系統補償飛行器豎直向下的重力，裝置由吊絲、滑輪、導軌、桁架等組合而成，通過隨動控制方法來使吊絲保持豎直，並控制向上的拉力始終等於懸掛體的重力。該系統包括一個克服重力的補償系統和一個可控跟蹤機器人運動的水平移動系統。
重力補償懸掛系統主要有兩種形式，即主動重力補償和被動重力補償。主動式補償精度一般為0.01g，被動式補償能達到0.08g，當吊絲長20m時，也能達到0.01g的量級。主動控制重力補償系統區別於被動補償系統之處在於：主動控制重力補償系統抵消重力的拉力來自可控的電機，通過控制電機使拉力保持恆定，吊絲在控制系統作用下上下伸縮，當懸掛體受外力作用時，其自身重力不影響它的運動，這種在控制吊絲隨懸掛體伸縮同時保證提供恆張力的系統叫主動控制重力補償系統。
懸吊法優於其結構相對簡單且易於實現，目前許多國家在微重力模擬試驗方面均使用此方法，例如美國Carnegie Mellon大學研製的SM2空間機器人地面實驗系統、歐空局輕質飛行器的微重力模擬試驗系統等。
圖10 伸展桿一維直線運動展開試驗
圖11 歐空局吊絲實驗系統
懸吊法可進行三維空間模擬，結構相對簡單，易於實現，實驗時間不受限制，因此目前得到了廣泛使用。其缺點是：支撐繩索的桁架機構複雜，佔地空間大，繩索隨動機構一般採用機械軸承支撐，運動摩擦大，嚴重影響試驗精度。另外，柔性索在隨動過程中，其之後運動和柔性抖動等耦合影響因素均對微重力模擬帶來不利影響。
5、氣懸浮法
氣懸浮法是通過平面止推氣浮軸承，將由氣泵配氣箱分壓後的氣體，經平面止推氣浮軸承噴出，利用氣體壓力，由氣膜浮起試驗目標飛行器，並通過改變節流孔的潤滑氣體壓力，達到抵消自身重力和載荷的作用，最終使平面止推軸處於懸浮狀態，這種懸浮狀態使得摩擦力和粘附力幾乎為零，此時僅存微弱的氣浮阻力作用，這使得負載在軸向轉動完全自由，使飛行器可以在整個光滑平台上自由移動，氣浮阻力能夠達到0.2N以內，是一種精度很高的微重力環境模擬方法，也是目前應用最廣的方法之一。
美國Standford大學、日本東京理工大學等都建立了平面氣浮台的地面實驗系統。
圖12 NASA編隊飛行器模擬試驗系統
圖13 Standford大學機器人氣浮實驗
以上就是目前主要的地面微重力環境模擬手段，相關資料都可在文獻中查詢到。至於國內研究現狀，在這裡不方便說，感興趣的朋友可以自己查查看。
因為控制的好，重力都用於提供物體曲線運動的向心力了，所以也就類似於失重了。
你確定用了搜索么？
探秘俄羅斯水下空間站：模擬太空失重環境(圖)-搜狐IT
讓飛機自由落體，機艙里的人和飛機同速度下降，就相當於失重了。比如英國人做的太空船二號，也是用這個原理來製造失重的。各國訓練航天員也是如此。
真正的飛船例如神舟飛船、聯盟飛船啥的是利用繞地球高速運轉離心力和重力抵消。
推薦閱讀：