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吹口气能让量子卫星跑5万公里?中国微力测量领先

作者:- 文章来源:- 点击数:36 更新时间:2017/7/18 7:40:38

  在地球表面,因为重力的存在,我们驱动汽车、飞机、火箭,都需要巨大的推力,但是在太空中,一只蚂蚁的重量就可以推动上百吨重的飞行器,它就是微力。微力能做什么?科学家又是如何捕捉如此小的力量?中科院研究员余西龙在SELF讲坛的舞台上现场演绎微力的魔力。 

  余西龙

  中国科学院力学研究所 研究员

  以下内容由余西龙演讲精编而成:

  微力究竟有多小?

  微力就是非常微小的力,那么这个微小的力,到底有什么作用呢?

  好多小朋友过生日时,非常温馨的一个画面就是吹蜡烛,吹熄蜡烛应该是非常简单的事情,一口、两口、三口也许就把蜡烛吹灭了。但是如果这个事情发生在太空中又会是什么样呢?

  天宫二号是我们国家的一个空间站,它运行在离地球高度393公里的真空环境中,但是实际上由于受到真空微重力和大气阻力的作用,它的轨道会慢慢下降,它所受到阻力大约是4.6mN,4.6mN是一个非常小的力,日常生活中很难接触到这么小的力。

  余西龙用一个形象的比喻描述了这个力,画面上是十只蚂蚁,一只蚂蚁的重量大约是50毫克,十只蚂蚁的重量就是天宫二号所受到的微阻力的大小,实际上这个力非常小,但是这么小的力就可以让空间站每天降落大约70米的高度。

  助推器的工作原理

  那又是如何让空间站在那么高的高度运行呢?这张照片上黄色的部件就是一个小的推力器,它的作用就是产生一个力,能够抵消所受到的阻力,让飞船稳稳地站在393公里的高空,那么这种小的推力器到底是怎么起作用的呢?或者说它的工作原理又是什么呢?

  目前常用的有三种小推力器,一种是所谓的冷气推力器,它实际上非常简单,就是一个高压气瓶里面装满了高压的气体,当打开一个阀门气体排出的时候,就能产生推力,这个推力的作用就类似我们吹一口气。那么另外一种就是化学推力器,它的工作原理就是利用化学物质燃烧产生的高温高压的气体喷出,产生推力。还有一种是电推力器,这是相对比较复杂的一种推力器,它实际上是通过磁场加速电离的空气来产生推力。

  科学家如何测量微小的推力呢?

  现场,研究员余西龙邀请了现场的观众上台参与实验,利用测量力的推力台架,试试吹气的力到底有多大。

  在大气条件下,这位小朋友的吹起冲量是65mNS,换算为太空条件,这个65mNS的冲量可以让量子卫星跑5万公里。这个实验说明,其实一个很小的力在太空中可以让一个重达数百公斤的卫星飞行很远的距离。

  实际上推力台架为我们国家卫星的地面发动机做了很大的贡献,这个台架在航天部门地面实验里面是应用过的,它本质上是一个高精度的天平的扭摆系统,它的基本原理就是通过把力转化为位移进行测量,它的测力范围大约是在1-1000mN,可以做mN量级的微力测试。

  这个台架实际上是一个非常精密的力学系统,它本质上能做到在重量很重的台架上测到非常小的位移,因为这个台架非常灵敏,周围人的走动都会影响到台架的稳定性。那么科学家必须为其增加一个阻尼系统,让这个台架在工作情况下要迅速停下来,以便进行下一次实验。上面没有阻尼的话,它可以在空气中摆动大约半个小时才能够停下来,但是如果加了阻尼,大约就几秒钟就可以停下来。

  微力的作用是巨大的,尤其在空间探索领域,它能够让太空飞船和空间站对接在一起,在太空中稳稳地运行,同时它也能够推动火星探测器,或者说其他飞行器飞向别的星球,去探索未知的太空。

  出品:中国科普博览 SELF格致论道讲坛

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