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吹口氣能讓量子衛星跑5萬公里?中國微力測量領先

http://finance.sina.com   2017年07月16日 18:52   北京新浪網

  在地球表面,因為重力的存在,我們驅動汽車、飛機、火箭,都需要巨大的推力,但是在太空中,一隻螞蟻的重量就可以推動上百噸重的飛行器,它就是微力。微力能做什麼?科學家又是如何捕捉如此小的力量?中科院研究員余西龍在SELF講壇的舞台上現場演繹微力的魔力。 

  余西龍

  中國科學院力學研究所 研究員

  以下內容由余西龍演講精編而成:

  微力究竟有多小?

  微力就是非常微小的力,那麼這個微小的力,到底有什麼作用呢?

  好多小朋友過生日時,非常溫馨的一個画面就是吹蠟燭,吹熄蠟燭應該是非常簡單的事情,一口、兩口、三口也許就把蠟燭吹滅了。但是如果這個事情發生在太空中又會是什麼樣呢?

  天宮二號是我們國家的一個空間站,它運行在離地球高度393公里的真空環境中,但是實際上由於受到真空微重力和大氣阻力的作用,它的軌道會慢慢下降,它所受到阻力大約是4.6mN,4.6mN是一個非常小的力,日常生活中很難接觸到這麼小的力。

  余西龍用一個形象的比喻描述了這個力,画面上是十隻螞蟻,一隻螞蟻的重量大約是50毫克,十隻螞蟻的重量就是天宮二號所受到的微阻力的大小,實際上這個力非常小,但是這麼小的力就可以讓空間站每天降落大約70米的高度。

  助推器的工作原理

  那又是如何讓空間站在那麼高的高度運行呢?這張照片上黃色的部件就是一個小的推力器,它的作用就是産生一個力,能夠抵消所受到的阻力,讓飛船穩穩地站在393公里的高空,那麼這種小的推力器到底是怎麼起作用的呢?或者说它的工作原理又是什麼呢?

  目前常用的有三種小推力器,一種是所謂的冷氣推力器,它實際上非常簡單,就是一個高壓氣瓶裏面裝滿了高壓的氣體,當打開一個閥門氣體排出的時候,就能産生推力,這個推力的作用就類似我們吹一口氣。那麼另外一種就是化學推力器,它的工作原理就是利用化學物質燃燒産生的高溫高壓的氣體噴出,産生推力。還有一種是電推力器,這是相對比較複雜的一種推力器,它實際上是通過磁場加速電離的空氣來産生推力。

  科學家如何測量微小的推力呢?

  現場,研究員余西龍邀請了現場的觀衆上台參與實驗,利用測量力的推力台架,試試吹氣的力到底有多大。

  在大氣條件下,這位小朋友的吹起衝量是65mNS,換算為太空條件,這個65mNS的衝量可以讓量子衛星跑5萬公里。這個實驗说明,其實一個很小的力在太空中可以讓一個重達數百公斤的衛星飛行很遠的距離。

  實際上推力台架為我們國家衛星的地面發動機做了很大的貢獻,這個台架在航天部門地面實驗裏面是應用過的,它本質上是一個高精度的天平的扭擺系統,它的基本原理就是通過把力轉化為位移進行測量,它的測力範圍大約是在1-1000mN,可以做mN量級的微力測試。

  這個台架實際上是一個非常精密的力學系統,它本質上能做到在重量很重的台架上測到非常小的位移,因為這個台架非常靈敏,周圍人的走動都會影響到台架的穩定性。那麼科學家必須為其增加一個阻尼系統,讓這個台架在工作情況下要迅速停下來,以便進行下一次實驗。上面沒有阻尼的話,它可以在空氣中擺動大約半個小時才能夠停下來,但是如果加了阻尼,大約就幾秒鐘就可以停下來。

  微力的作用是巨大的,尤其在空間探索領域,它能夠讓太空飛船和空間站對接在一起,在太空中穩穩地運行,同時它也能夠推動火星探測器,或者说其他飛行器飛向別的星球,去探索未知的太空。

  出品:中國科普博覽 SELF格致論道講壇

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