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太空授课的航天实力: 热度 1 可变系时空多线矢主人 2013-8-3 13:49; 太空授课的航天实力神十航天员王亚平在天宫一号上与另两位神十航天员配合进行的我国首次精彩、生动的太空授课。面向中小学生，主要演示、讲授了失重条件下的物体运动特点、以及液体表面张力作用等内容。取得了很好的教学效果。但是，这确也是显示了我国非凡的航天实力。要知道：神舟天宫组合体运行在距离地面大约 340 公里的高度，属于近地轨道航天器，绕地球运行一圈的时间约为 90 分钟。天宫一号是在以每秒 7.9 公里的速度绕地球飞行着，宇航员王亚平长达 50 分钟不间断太空授课，飞船正好跨越半个地球，相当于一枚洲际导弹从中国发射到美国，全程控制，和太空、地面稳定无缝的，交互数据传输。能进行如此长时间、大容量、稳定的天地通信，主要依靠我国自制的三颗天链中继卫星来保障，这是一个航天强国的绝对标志，也是中国军事航天的重大进步，更是硬实力的具体展现。据了解：因受地面曲率影响，地面或海面单个测控站对 340 公里高度的神舟天宫组合体的测控、通讯范围很小，如果要保持不间断的通联，理论上需要布设 100 多个站点均匀分布在地表，这在经济上、政治上都是不可能的。此次太空授课的时长是 50 分钟，从上课开始到结束，这期间神舟天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多，依靠地面测控站进行不间断视频直播的话，最理想情况也需要 10 多个测控站，我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。在冷战期间，美苏两个航天强国遇到同样的问题，他们依靠其强大经济实力、以及政治影响力，在全球多个国家建立了地面测控站，建造了大量测控船及飞机，但也无法实现对低轨航天器的无间断测控。直至 1983 年，美国人开始将目光投向太空，他们发射了运行在静止轨道上的数据中继卫星。低轨航天器先将数据上传至中继卫星，中继卫星再将数据传回至地面，即一个 " 星 - 星 - 地 " 的通讯流程。中继卫星运行 36000 公里高度的静止轨道上，分布均匀的 3 颗卫星即可以基本实现对 200-1200 公里高度航天器运行轨道的全覆盖。相较地面、海上测控站点，数据中继卫星具有覆盖面积广、实时性高、经济性好等优点。我国则分别在 2008 年和 2011 年发射了 " 天链一号 " 数据中继卫星的 01 、 02 星，天链一号 03 星在 2012 年 7 月 25 日发射成功，由此建立第一代数据中继卫星系统。细心的读者可以发现，在央视对神十发射的直播中，屏幕右上角有时会出现 " 天链 " 字眼，这是表示当时的视频信号来自 " 天链一号 " 数据中继卫星的转发。而 " 滨海 " 、 " 南亚 " 、 " 喀什 " 和 " 远望 " 等字眼则分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船。数据中继卫星是个好东西，但技术难度却相当大，美国在 60 年代即成功发射静止轨道通信卫星，但在约 20 年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。与普通通信卫星相比，数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是 36000 公里，低轨航天器的高度仅为数百公里，距离非常远；而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输，中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的 Ku/Ka 波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄，这就对跟踪精度提出了极高要求，要达到 0.06 度。中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信，天线处于复杂的变速运动状态，在转动速度、加速度和角度上都没有规律，天线的机械驱动机构不仅要精度高，而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行，制造难度很大。同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题，非线性结构的天线不规律的运动和振动，对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响，对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题，高数据传输速率要求高增益天线，通俗地说，中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时， Ku/Ka 波段波长小，对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于 0.1 毫米，并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度，其难度可想而知。所以，数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代 " 天链一号 " 数据中继卫星体系的建设，今年进行 " 太空授课 " 实则是对自己航天测控实力的一次展示。更为重要的是，天链一号的作用并不仅限于为神舟、天宫服务，它还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务，对国民经济、国防建设均有巨大的促进作用。; 个人分类: 其它|2957 次阅读|2 个评论

幼儿园小朋友眼中的太空授课: 热度 1 musicriver 2013-6-25 10:06; 早上胖宝醒来，忽然很委屈：“你答应我看的超人，结果到现在还没看！” 我有点摸不着头脑：“啊，我什么时候答应你看超人了？” “你竟然都忘了~~你骗人”，哇哇大哭。 “昨天不是看的猫和老鼠吗？什么时候要看超人了？”我赶紧劝。妈妈也也来劝：“爸爸什么时候骗过你了？” 等胖宝平静下来，我问：“爸爸在哪儿告诉你看超人？” “就在家里。” “什么时候告诉你的？” “就是前几天。” “什么样的超人呢？” “和我们一样的超人。” Oh，My God，想起来了，前几天看了天宫一号宇航员王亚平太空授课，感觉非常有趣，就给胖宝讲了“悬空打坐，一指推开”、“漂浮翻跟头”、“水球”等等奇妙现象，并且答应他一起看太空授课的视频。之后胖宝跟妈妈送小表弟回老家，昨天刚回来，晚上看了“猫和老鼠”，今天早上一醒来，想起“太空超人”了。 “看，一定给你看，今天幼儿园回来就看！” 又给胖宝讲了一遍杨利伟等航天英雄的故事，还告诉他，航天员景海鹏是我们老家那边的。这下可好了：想当宇航员，少看动画片；想当宇航员，不能挑食；想当宇航员，好好学习......; 4104 次阅读|1 个评论

令人震惊和饶有兴趣的我国航天员的太空授课: 热度 5 Fangjinqin 2013-6-21 11:34; 令人震惊和饶有兴趣的我国航天员的太空授课我饶有兴趣地二次观看了我国航天员的太空授课，在天宫一号51分钟的讲课中，王亚平等3人回答了聚集在北京一个礼堂的330名学生实时提出的问题，并展示了失重原理在太空中看到的新奇景象。王亚平说：“我们看到的天空不是蓝色的，而是深邃的黑色。每天，我们看到太阳升起16次。”聂海胜和张晓光回答了有关在太空生活、工作和锻炼的问题。聂海胜做出中国功夫片影迷所熟悉的神秘的双腿交叉打坐姿势。王亚平说，“在太空，我们都是功夫大师”。王亚平将水滴注入一个越来越大的悬浮水球，仿佛魔术表演，引来学生们“哇”的惊叹和鼓掌。航天员们还旋转陀螺，摇动一个系绳的球，演示失重如何影响物体运动。在在这堂精心讲课中，看到王亚平总带着微笑。外电纷纷评论.美联社报道认为，太空授课就是“一场战斗”“这一任务堪比他们冒着巨大风险空间对接。太空授课标志着中国迄今最大胆的一步”。“这堂讲课更像是儿童电视科普节目，而不是不久前加拿大航天员哈德菲尔德从国际空间站传回的视频。”日本时事通信社评论中国的太空授课“不可思议”。德国新闻电视台20日则为“6000万中国学生上太空课”感到惊讶。报道说，这可能是新的世界纪录。法国欧洲新闻电视台评论称，法国的老师有时候也会说“学生们在月亮里”(俚语，暗示上课走神或打瞌睡)，可如今中国的老师却千真万确在天上。评论认为，太空授课相当成功，这有助于中国证明其有和美国、俄罗斯在征服宇宙空间的竞赛中一较短长的实力。《印度斯坦时报》20日引述美国海军战争学院学者弗利泽的话说，中国的太空计划能带来什么物质利益尚不明确，但已经给中国带来了相当大的国际声望，刺激了对科学的兴趣，帮助军方掌握了火箭和远程制导技术，也让中国成为某种程度上的技术大国，抛弃了“制造鞋子和手包的国家形象” 我认为，这次有意义的我国太空科普授课必将极大激起中国广大青少年的航天梦，促进我国年轻人才的培养，加速我国航天技术的应用和发展！; 个人分类: 杂谈评论|3163 次阅读|6 个评论

太空授课：为中国梦演示精彩而奇妙画面: hucs 2013-6-20 22:01; 太空授课：为中国梦演示精彩而奇妙画面 -- 记航天员王亚平进行中国首次太空授课（神州十号 2013年6月20日上午）神十航天员进行中国首次太空授课全程（视频） QA: 我是心脏科医生，请问王亚平老师： 1 太空中能测血压吗？如何测血压？ 2 高血压患者是否还会有血压高？（南昌大学科学网博主胡春松）; 个人分类: 博士学习|2390 次阅读|0 个评论

当今中国水平最高的老师，有《教师资格证》么？: 热度 27 boxcar 2013-6-20 19:07; 谁是当今中国水平最高的老师？如果这问题昨天问出来，肯定没有标准答案。因为，自古以来“文无第一、武无第二”，在教师这个行当里，评说哪个老师的课讲得好坏容易，但排出个精准的名次来却非常不容易，所以“水平最高”这个评价，还真不好轻易作出。然而，今天下午再问这个问题，“标准答案”却突然出现了，因为，北京时间今天上午 10 点钟，女航天员王亚平在距离地面 300 多公里的太空讲了一堂公开课，在课上还花了大量的时间做水实验，既然这堂课讲得如此有高度，道具用的还是水（包括盛水的容器），名字里又有个平字，那么，中国“水平最高”的老师，自然非王亚平老师莫属了！不过，“中国水平最高”的老师这种说法，咱以非官方的口气说说是自然没问题的，但若较起真来，还真不好说。因为，她很可能目前还没有《教师资格证》（这个其实还有待查证），换句话说，并不是一个严格意义上的教师，倘若没教师身份的人我们却尊称其为“水平最高”的老师，只怕我的很多同行都会不服气的。王亚平老师备课到底花了多少时间，事前写没写教案，编没编写教学日历，搞没搞课程设计，我们不得而知，更不知道上太空这个讲台之前有没有组织专家进行过试讲和认证。。。。。。不过平心而论，今天上午那堂课上得绝对精彩，以这个授课状态和教学效果，再加上强大的背景，应该不难通过试讲和资格认证，如果一定要细抠《教师资格证》这档子事儿，下来赶紧补办一个吧。王老师的《教师资格证》啥时候能办妥不好说，我深信不疑的是，一降落马上就会有一大堆学校把聘书送到她的案头的，肯定有 N 多的大学、中学、小学甚至幼儿园希望聘王老师当客座教师（甚至客座教授）的。一堂公开课，在 300 多公里的高空、以 7.4km /s 的速度飞行的过程中讲授，同时拥有六千万以上听众观众，授课视频过后还可能被无数次点击下载，是无论如何都是可以载入中国甚至全人类的教育史的。这样一堂课的主讲教师，纵使没有持证上岗而纯属友情客串，也足矣担当得起“老师”这个一直颇受人尊敬的称呼了。行文至此，本该作罢的。忽然想起，中午曾和 LL 博友有个约定，答应晚上有空就写一篇关于太空授课和 SCI 影响因子的博文的。但是，有的这点儿时间已经被这篇博文占去了，只好容我稍后再写了。当然，观点可以先撂在这儿——这次太空授课的“影响因子”，目前显然超过了 SCI 文章。。。。。。; 个人分类: 教育|6850 次阅读|58 个评论

神十的太空授课: 热度 1 zxj368 2013-6-20 10:07; http://scitech.people.com.cn/shen10/; 个人分类: 科普集锦|2651 次阅读|3 个评论

网友们：今天10:04’积极参与听评太空授课吧！: 可变系时空多线矢主人 2013-6-20 08:19; 网友们：今天10:04 ’ 积极参与听评太空授课吧！【特别征集】女航天员王亚平 20 日太空授课！你想听什么？导语：据央视消息，神十航天员 6 月 20 日上午 10 点将在太空给地面的学生讲课。中国载人航天工程新闻发言人武平曾表示，此次太空授课主要面向中小学生，使其了解失重条件下物体运动的特点、液体表面张力的作用，加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。航天员将进行在轨讲解和实验演示，并与地面师生进行双向互动交流。大家可以尽情表达对航天事业和航天员的感想，想听什么课、有什么疑问，让我们一起来进行天与地的对话吧，上一堂特别的航天课。中国航天员王亚平王亚平，女，汉族，山东省烟台市人，中共党员，学士学位。 1980 年 1 月出生， 1997 年 8 月入伍， 2000 年 5 月入党，现为中国人民解放军航天员大队四级航天员，少校军衔。 2013 年 4 月，入选天宫一号与神舟十号载人飞行任务飞行乘组。亚平太空当老师晓光担任摄影师　　太空授课环节中，王亚平担当太空讲师，而她的同事张晓光将担任摄影师，用手持摄像机拍下授课画面，实时传回地面，协助王亚平完成授课传输，以及天地间的双向互动交流。　　“推拉跟进这些基本知识好学，但用一个镜头讲述长达 40 分钟的完整故事，就得好好动脑筋。”为了完美地完成任务，张晓光此前曾反复练习拍摄技巧：哪里该给个特写？什么时候要换个角度？能不能再往上跟一点？临时上阵的业余摄影师，对自己的要求一点也不业余。“这是任务赋予我的责任，我必须全力以赴。”张晓光说。　　看点　　或将演示如何回收漂浮的水　　目前，神十太空授课的详细内容仍处于保密状态。有专家认为，水是最能体现失重状态的物质之一，因此王亚平很可能在天宫一号中展示如何回收漂浮的水滴。在失重环境下，无论是喝水，还是做实验，抑或用水在太空洗澡，都难免把水洒出来，那怎么才能把这些漂浮的水收拾干净？答案或将在王亚平的太空课上揭晓。　　另据央视报道，刘洋带上天宫一号的自行车，也将成为王亚平太空第一课的教具。相比地面上人们骑的自行车，这辆太空“自行车”小巧得多，而且没有车把手，只能在原地运动。骑车时为防止飘走，航天员还要通过束缚带把自己固定在车座上，骑车时还要用一只手扶墙。　　这辆自行车本来是用于帮助航天员锻炼下肢肌肉的，因为在失重环境下长期飞行容易引起肌肉萎缩。“太空自行车”又如何成为教具呢？这个答案也要等到王亚平开课后才能揭晓。　　“卫星的卫星”搭建天地沟通　　“除了对地面学生展示太空物理现象外，这次太空授课还将首次考验我国的中继卫星系统。”航天专家表示， 2012 年 7 月 25 日，我国发射“天链一号 03 星”后，实现了“天链一号”中继卫星的全球覆盖。“可以说，在神舟系列飞船中，神十是第一个享受我国中继卫星全球系统服务的载人飞船，可以和地面 24 小时随时对话，公众可以看到更稳定、更清晰的实时画面。” 　　中继卫星又被称为“卫星的卫星”，中国以往的载人航天任务受带宽限制，航天员在太空中只能听到声音却无法看到地面高清画面。在中继卫星建立起“空空地”的传输通道后，电子邮件、视频通话等天地之间沟通交流更加多样化。　　杨振宁参与“地面课堂”点评　　“和美国航天员芭芭拉·摩根进行的太空授课相比，中国航天员的这堂太空授课，不仅单次时间更长，难度也更高。” 6 月 17 日下午，一位不愿具名的航天专家告诉记者，摩根在太空中展示的主要是日常的生活，比如喝饮料、锻炼身体等，而王亚平授课的内容还会涉及更多的物理现象和原理的讲解。　　此外，在此次太空授课的直播中，还将辅以“地面课堂”，而且“地面课堂”的科学家阵容豪华，包括杨振宁、欧阳自远、孙家栋、栾恩杰等科学大家将进行现场点评。来自全国 6 所中学的学生代表将共同参与; 个人分类: 物理|1544 次阅读|0 个评论

[转载]神十航天员明天10点将在太空给学生讲课: zxj368 2013-6-19 16:16; http://scitech.people.com.cn/n/2013/0619/c1007-21888042.html; 个人分类: 科普集锦|1536 次阅读|0 个评论

科普新篇-3：太空中的力学——为“神十”太空授课作铺垫: 热度 27 sqdai 2013-6-16 09:57; 6 月 11 日 17 点 38 分，神舟十号如期升空，引起国内外广泛关注，国人为之欢欣鼓舞。神舟十号发射前夕，我国载人航天工程新闻发言人武平告诉大家：“航天员将首次向中小学生开展太空授课和天地互动交流等科普教育活动，这将成为神舟十号飞行任务的一大亮点。” （参看）。我为创造这个大亮点的人们喝彩叫好！据悉，此举是国内首创，全球第二次。 2007 年，世界第一位在太空授课的美国女教师芭芭拉·摩根乘坐“奋进”号航天飞机造访国际空间站，除了负责完成部分专业任务外，摩根还开设“太空课堂”，与地面上的学生“天地连线”，通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景，成为那次任务的最大亮点（见）。 6 月 12 日，《中国科学报》在第一版发表“科学时评”：《太空授课带来新期待》，介绍了授课计划，表达了国人对此次太空授课的热忱和期望（参看）。文中指出：“在神舟十号载人飞船发射这样举国关注的事件之中，增加科普教育内容，让很多人惊喜。”作者还说：“也许是因为条件和时间所限，也许因为更关注教育，本次太空授课主要针对中小学生。其实，就科普而言，成年人也是重点。期待今后的类似活动能增加对成年人的安排。 …… 另一个期待是，各学科领域都像航天领域这样，能主动做更多科普。” 为了给这次太空授课作铺垫，也为了弥补上述缺憾，本文着重向文化程度高于中学水平的成年人讲述可能与这次授课有关的一些科普知识，以期提高此次授课的效益，获得更多的受众的欢迎。太空授课的看点何在？据媒体透露，授课内容主要是使青少年了解微重力环境下物体运动的特点，了解液体表面张力的作用，加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。航天员将进行在轨讲解和试验演示，并与地面师生开展双向互动交流。授课地点在“天宫一号”，持续时间为 40 分钟。关注这次授课的朋友们会问：其中的看点何在？怎样最大限度地获得教益？最有效的办法是：带着探索热情和满脑袋问题走进天地间的大课堂。那么，该带些什么问题去上课呢？至少有： ——飞船所处的微重力环境从何而来？ ——微重力环境会带来哪些奇特现象？ ——为什么质量相同的物体在地面上和在太空中的行为如此不同？ ——为什么太空舱里人或物一不固定就会飘浮起来？为什么会失重？ ——表面张力是什么？为什么地面上“作用力剧团”中的这个“小角色”会在太空中“唱大戏”？对于这五个问题，“太空老师”王亚平会做出浅显生动的回答，并给青少年朋友种种好玩的直观的演示。据笔者获得的信息，她上课的方式与大多数老师不一样。至少有如下特色： 1 、教具特别。还记得去年“神九”航天员迅速地组装的那辆太空自行车吗？还记得第一位女航天员刘洋蹬着它的飒爽英姿吗？这回，它摇身一变，成了王亚平授课的特殊教具，且不说它的独一无二的怪摸样，扶手、车铃，啥也没有，而且骑手拼命蹬着它，它却纹丝不动，并且骑手还得把自己跟它“组装”在一起。骑车的姿势也有点怪：一只手总扶着墙。要不是这样，不受制约自行车会满屋子飘游，而骑手呢？也会自顾自地到处游荡。这就生动地告诉听课者，微重力环境下的“失重”是何等厉害的角色，你不得不处处小心提防。 2 、内容特别。不管讲什么，王老师总会先给你演示好玩的现象。比方说，地面上有一个装了水的杯子，你不去动它，水就乖乖地呆在杯子里；想喝了，端起杯子就喝；在天宫里可不行，得用管子从杯子里吸水，喝完水（不，应该说吸完水），倘若不拧紧杯盖，水就会呼啦呼啦自己跑出来，到处乱飘。这可不得了，水珠飘进精密仪器里可就闯大祸了。怎么来收拾这些飘浮的水珠？航天员有诀窍，一下子就可以把它们制服。谜底何在，我也不知道，就等王老师授课时揭晓了。 3 、讲法特别。你会发现王老师讲课的方式跟自己平时的老师不大一样，她不讲大道理，更不会让你记公式、背定律。她会告诉你，在太空中肥皂泡会不会破？物体的质量与重量是怎么回事？让你在不经意间学到很多物理知识。这样的授课，谁不期待？知识面较宽的成年朋友可以一边听课，一边提出更多深层次的问题： ——微重力环境下主要有哪些作用力参与平衡、导致运动？ ——在太空舱里除了失重以外，还会有什么怪异现象？ ——有哪些事情人类在地面上做不到，而在太空中却能轻易做到？ ——为什么在空间飞行器中做拉单晶、培育种子等事情特别棒？ ——太空舱里的对流、分散、沉淀、扩散等输运现象与地面上有何差别？ ——地面上能模拟太空环境吗？怎么模拟？ ——今后的航天科技发展会朝哪里走？如此等等。基础知识越丰富，越能提出形形色色的更多的问题，越能在此次太空授课中获得更多的启示。微重力环境从何而来？青少年朋友会问：为何人在太空舱中能到处飘浮，而在地面上不借助工具却怎么也飘不起来？这是因为地面上的重力把我们牢牢“绑”在地球上了。学过中学物理学的人都知道，凡是物体都有质量，而质量是其固有属性，从物理学角度看来，是物体惯性的一种量度；大家还知道，空中落下的物体会经受重力加速度，在厘米克秒单位制中常用的近似值为 980 厘米 / 秒 2 ，在地球上的各处，重力加速度有微小差别。重量是物体的所受的重力，其值是物体的质量乘以重力加速度，同一物体在地面各处的重量有些许差别。然而，倘若脱离了地球，跑到别处去，情况就不一样了，比方说，人到月球上后，重量变成地球上的重量的六分之一，因为月面上的月心引力是地面上的地心引力的六分之一。会跳高的青少年朋友在地面上一般能越过一米高度吧！那么一到月面，就能轻松地越过六米。设想一下，有一艘巨大无比的飞船，在神舟十号轨道上飞行，里面设一个跳高场地，随便哪个瘦弱小子在那里纵身一跳，就能跳出十万八千里，比神话中孙悟空还有能耐。这是为什么？因为在太空舱里有微重力环境，“重力”微乎其微。我们就从微重力环境说起吧！什么是微重力？简单地说，它代表一种受力环境，在该环境中的有效重力水平极低。低到什么程度？低到有效重力水平为地球表面重力的百万分之一，严格地说，这才算是微重力。目前对微重力有许多广义的理解，常把微重力理解为微小重力或低重力，有时衡量标准也稍稍放松一点，例如，在后面要提到的落塔试验中，有效重力水平达到地面重力的十万分之一，就算是微重力状态了。实际上，在浩瀚的太空中，微重力环境是广泛存在的。比方说，在太阳系中，远离地球而不靠近其它星球的地方，重力就很微弱。根据牛顿 300 多年前总结出来的万有引力定律，在地球上空的单位质量的物体所受的重力大小为地面上的重力加速度 ×地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平方假如离地面的高度为零，单位质量的物体的重量的大小就是地面上的重力加速度的大小；由此可知，单位质量的物体所受的重力随着离地面的高度的增加而减小，减小的因子为地球半径的平方÷(地球半径+物体离地面高度)的平方如果物体离地面的高度是地球半径的许多倍，可以近似地把这个因子取成地球半径的平方÷物体离地面高度的平方如果这个因子小到百万分之一，就把相应的环境称为微重力环境。离地面 1000 个地球半径的高度就处于这样的环境。经常把这种环境称为“失重”环境，实际上，这时重力还存在，加上还有各种次级力的作用，要达到绝对失去重量的状态是不可能的，只能获得大体上的失重环境。例如，在离地面 1000 个地球半径的高度，原先中常体重的人会变得像一粒药片那么重，不飘飘然才怪呢。不久前，到火星去旅行或定居曾是热议的话题，倘若发射航天飞行器到火星上去，是一个漫漫长途，得耗时七个月有余。据查，火星与地球的距离最近约为 5576 万公里，最远超过 4 亿公里，在行程过半，尚未到达火星，也不靠近其它星体时，就会出现这样的情况。细心的朋友会问，神舟十号的轨道离地面的高度约为 200~ 360 公里，太空舱里怎么会有微重力环境呢？这是因为，人们把空间飞行器发射到地球空间并绕地球作周期运动时，地球引力与空间飞行器运动时产生的离心力相平衡，在飞行器中也造成“失重”环境。人们对离心力并不陌生，中学物理学中就学过。在物体做圆周运动时就会产生离心力，在日常生活中也经常遇到。例如，在坐“过山车”时，车在圆形轨道上疾行时就能感受离心力的存在。航天飞行器绕地球作近似的圆周运动时，所产生的离心力就与重力彼此抵消。于是乎，我们在王老师授课时就会看到多姿多彩的失重现象。一般说来，在一个局部运动坐标系中，重力可以被某种力抵消，物体就受一种有效重力的作用，经常用有效重力与地面重力之比来度量参考系中的重力水平。（详见）微重力环境有何特点？如上所述，微重力环境的主要特点是它的失重状态。它还有什么特点呢？大家知道，在地球上发生的许多过程（包括各种力学过程、物理学过程、化学过程乃至生物学过程）中，重力是一个极其重要的因素，在微重力环境中，重力悄然隐退，就像在森林里称王称霸的老虎逃走了，一些“狐假虎威”的家伙随之溜走，猴子就称起“大王”来了。中学生都知道阿基米德浮力定律，其中的浮力是由于有重力作用才产生的，重力消失了，这种浮力就“拜拜”了，阿基米德定律也没了用武之地。根据静力学平衡原理，流体空间中的压力就均匀了，对应的热力学状态随之变得均匀，这就为许多技术应用提供了机遇。再说对流。 105 年前，法国科学家贝纳（ Bénard ）发现了一种在自然界中广泛存在的对流（贝纳对流），它是由于上下温度差所造成的浮力产生的。太阳照耀下的大地，就是由于贝纳对流存在，才有宜人的生活环境和复杂多变的天气。如今，重力、浮力双双“出走”，像贝纳对流那样的浮力对流随之“寿终正寝”。还有沉淀。本来在重力作用下，流体中的颗粒物常会沉淀，没了重力，沉淀过程随之消失。老虎一走，猴子开始耍起威风来。重力作用消失后，在地面上常被掩盖的次级效应开始起主导作用。其中最“嚣张”的是表面张力（即毛细力）。本来在许多过程中，表面张力是一个不起眼的“小角色”，不少人对它不屑一顾，特别是在研究大尺度现象时。表面张力是存在于两种流体的界面上的一种作用力，我们在中学里学物理时就遇见过它。几乎所有的物理老师都会拿点眼药水来做例子，把眼药水瓶倒置，由于有表面张力的作用，不使劲挤压一下瓶子，药滴就掉下不来。说得严谨一点，表面张力是液体表面任意两相邻部分之间垂直于它们的分界线相互作用的力，它的形成与液体表面薄层内的分子特殊受力状态密切相关。通常数值较小，且其大小与温度有关，温度越高，表面张力越小。对表面张力的研究已有几百年的历史。随着重力的隐退，表面张力取而代之。微重力环境下，浮力对流受到抑制，表面张力梯度驱动对流就夺取了它的地盘。温度不均匀，表面张力就有梯度，经过一个较为复杂的过程，驱动流体在表面从高温区向低温区运动，产生了一种新的“浮区对流”，很有实用价值。在地面上的流体内部的输运过程中，本来浮力对流、重力沉淀和扩散输运平起平坐，相互制约；在微重力环境下，前两者受到抑制，扩散也就“称王称霸”了，出现了纯扩散过程，这是材料工程师们追求的理想境界，比方说，在制备材料时。为了保证材料的均匀性和完整性，最好有不存在对流的干扰的纯粹扩散过程。因此，材料的制备者对微重力环境的利用最为起劲。微重力环境有何用处？如上所述，微重力环境营造了许多应用方面的得天独厚的环境，人们在努力设法利用。微重力科学已经成为一个重要的新兴学科，微重力环境下的各种独特现象激发了科学家（特别是航天人）的强烈兴趣，它还开拓了空间材料科学、空间生物技术和空间生命科学发展的新天地，成为需对技术问题的科学基础。国内外对此已有几十年的研究历史。 1992 年，美国科学院成立了专门的微重力科学委员会，建议将微重力研究进行如下分类：基本规律；流体科学；材料科学；生物科学和技术；燃烧。实践证明，微重力科学在材料科学和生物科学和技术方面有直接的应用。微重力环境下的空间材料科学发展得最为迅速。以晶体生长技术研究为例，晶体生长和材料制备是一类重要的物理 - 化学系统中的过程，在现代通信产业中有很重要的地位。在微重力环境下作晶体生长研究，可排除浮力对流和重力沉淀效应的干扰，并可实现无容器过程，因此，研究取得了实质性进展。特别是，较为深刻地理解了在微重力环境下新对流对晶体生长的影响，发展了提拉法和浮区法改进了产品的质量，等等。空间生物技术就是利用空间特有环境，结合现代生物技术，进行蛋白质结晶及生物品种改良和创新的高新科学技术。我国经多年研发，在航天育种（即“空间诱变育种”）方面取得较大进展。先后在十多颗返回式卫星和七艘飞船上进行了数千个微生物菌种、农作物及植物种子的搭载试验，取得了一系列开创性的研究成果，不仅培育出高产优质的太空水稻、太空蔬菜、太空花卉等，以“红曲菌”、“东方红一号菌株”等航天搭载微生物菌株研制而成的系列空间生物制品也走进了寻常百姓家。近四十年来，各空间大国都在尽力发展空间生命科学与技术，研究重点是： 1 ）阐述重力作用下分子和细胞生物学基础； 2 ）发展在空间微重力环境下的生物技术和生物加工； 3 ）认识受控生态生命支持系统的基本生物学。目前在不少领域已取得重要进展。微重力环境能在地面复制吗？利用航天飞行器创造微重力环境对空间探索来说无疑是极其必要的，但是，此举毕竟要耗费大量的人力物力，而且发射航天器的频度要受诸多限制。有没有取代之法？几十年前，人们不约而同地想到了这一点，尽力在地球表面或低空营造微重力环境。主要手段有如下三种： —— 自由落体设施：落塔、落井、落管大家知道，两千多年前亚里士多德就研究过自由落体，还得到了错误结论。他不会想到，现今人们会利用自由落体来创造微重力环境。其中的原理是：建造高塔、深井或长管，利用它们的几何尺寸（高度、深度或长度），让落舱系统自由下落来获得微重力条件。说得直白一点，让落舱搭乘长长的电梯，再在舱里做微重力试验。最好的落塔（井）的有效重力水平达到地面重力的十万分之一至百万分之一，而可资利用的微重力时间取决于自由落体的高度，其计算公式中学生都会。日本北海道上砂川市的日本微重力中心利用报废的竖直矿井建成了一个深达 710 米，实验段 490 米，减速段 220 米，可提供 10 秒的微重力时间，每天安排三次实验，向各国开放。我国也早已有了落塔装置，头两个由中科院力学所和工程物理所研制，并做了大量实验。 —— 飞机的抛物线飞行飞机进行抛物线飞行可以产生变化的有效重力，俯冲段可加速到两倍重力加速度，而在上升到自由飞行段可得到低重力环境，有效重力水平达到地面重力的百分之一到十分之一。各空间国家（包括我国）都做过这类实验，美、俄用的是大型飞机，欧洲用中型实验机，我国则用小型飞机。除了一般的微重力实验外，还用于训练航天员。 —— 发射微重力火箭有过一点火箭知识的人知道，火箭发射以后，在自由飞行段可以保持相当长的一段时间的微重力水平，其保持时间取决于发射高度。因此各空间国家都着力发射可回收式微重力火箭，特别是俄国，凭借着强大的火箭技术能力，进行过多种微重力实验。微重力火箭的效果不错，有效重力水平达到地面重力的十万分之一甚至更低值。当然，为了训练航天员，还有一些小型的微重力装置，我们在电视片中见过。这里不再赘述。祖国的航天事业呼唤着年青的生力军 “神舟”系列飞船和“天宫一号”的升空不仅标志着我国航天技术的突飞猛进，也标志着我国空间科学有了更先进的研究载体。包括微重力科技在内的空间科技研究正在如火如荼地进行。我国建立自己的空间站也已经提到了议事日程。我希望，通过这次太空授课，吸引我国更多的有志青年投入航天科技和微重力科学的研究。应该认识到，航天事业是多姿多彩、魅力无穷的，又是充满挑战、责任重大的，希望朝气蓬勃的新生代，迎着困难上，继往开来，为我国的航天事业添砖加瓦，创造更加辉煌的业绩参考资料：环球网，神舟十号升空看点：王亚平将进行太空授课， http://mil.huanqiu.com/aerospace/2013-06/4022065.html 。王兴，太空授课带来新期待，中国科学报， 2013-06-12 ，第一版。胡文瑞、徐硕昌，微重力流体力学，科学出版社， 1999 。初稿： 2013 年 6 月 16 日晨二稿： 2013 年 6 月 17 日晨【链接】相关博文 1 、科普新篇 -1 ：马路上的力学（一） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-577245.html 2 、科普新篇 -2 ：马路上的力学（二）夺命的“西瓜炸弹” http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-582001.html 3 、我国航天人缘何特别能战斗——“天宫一号”飞天引发的思考 http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-493351.html 4 、我国航天事业缘何一枝独秀？ http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A72761.html 5 、江山代有才人出 —— 第二届全国深空轨道设计竞赛颁奖暨研讨会上的讲话稿 http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-357636.html 6 、美丽的街，古老的街，惹祸的街，名人的街——流体力学魅力浅说（ 1 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-354608.html 7 、流体力学帮人打赢了官司——流体力学魅力浅说（ 2 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-355193.html 8 、阿拉斯加地震，夏威夷海滩泳者遭殃——流体力学魅力浅说（ 3 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-355469.html 9 、台风缘何跟我们“躲猫猫”——流体力学魅力浅说（ 4 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-358300.html 10 、鱼儿这样告诉我们——流体力学魅力浅说（ 5 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-330732-459425.html; 个人分类: 科海随笔|15398 次阅读|62 个评论

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标签: 太空授课

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