亚轨道飞行
亚轨道飞行像一趟分三个阶段的过山车。在起飞阶段,你会经历超重。接下来是短暂的失重。最后返回地球时,你会再次经历超重。当火箭载着你进入太空时,你会上升得越来越快,把你按到座椅上的力也会越来越大,让你感到自己变得越来越重。换句话说,火箭向上加速与地球向下拉扯对你造成的效果是完全相同的。即使我们静止不动,地球的引力也会使我们加速下落——尽管这听起来与直觉不符,但无论我们站着、坐着、躺着或是飘浮着,总有一个相等的向上的力,使我们不会下落。
当你向上飞行时,地球把你向下拉向座椅(像往常一样),而火箭的加速也将你推向同一个方向,即推向座椅。这使你比平时更加紧贴座椅,你会感觉自己比平时更重。在上升的过程中,你加速越快,体重就会越大。此时,你会发现很难举起手臂,因为你感觉手臂被更大的力按在座椅扶手上,其大小是你在地球上通常情况下所受重力的三四倍。
我们日常经受的地球重力加速度俗称1g。这种说法源自科学家们的一个惯例:在计算重力的影响时,他们普遍使用g这个字母来代表物体落向地面的正常加速度,也就是9.8m/s2。[1]人体通常可以长时间承受3g或4g,这是你被火箭送入太空时感受到的超重程度。
说句题外话,当你在某个星球上处于静止状态或者坐在航天器里的时候,你的体重是计算你所受引力(来自这个星球)或推力(来自火箭)的量度。力和加速度两者直接相关:如果物体的加速度翻一倍,那么它所受的力也必然翻一倍。这种关系的数学表达式是F=ma,其中F是物体所受的力,m是物体的质量,a是这个力对物体产生的加速度。
如前文所说,质量不过是表示物体包含的粒子总数,因此,在地球尺度上,地球对你施加的向下的拉力等于你的体重。
如果在下落过程中你没有遇到任何阻力,那么你的体重会消失,你会进行人们常说的自由落体运动。你从跳水板跳出去的那一刻便开始自由落体,即便最初你是在向上运动。从跳起到入水,你的运动轨迹呈一条抛物线(如第1章所说)。同样,在亚轨道飞行中,火箭停止加速(俗称熄火)以后,你乘坐的航天器也不再对你产生推力,你的体重会随即消失。
理论上,亚轨道飞行可以通过三种飞行器实现。第一种是水平起飞的飞机,靠火箭推动进入太空,待燃料耗尽后,沿抛物线滑翔回到地球。
第二个选项是使用传统火箭搭载航天器。过去的“水星号”(Mercury)、“双子座号”(Gemini)和“阿波罗号”(Apollo)飞船,现如今俄罗斯的“联盟号”(Soyuz)飞船,还有美国2014年发射的“猎户座号”(Orion)飞船,都采用这种方式。选择这种方式进行亚轨道飞行时,飞行器由火箭顶部搭载,火箭燃料耗尽时会与飞行器分离。之后,飞行器继续沿抛物线运动,先是向上飞行,然后滑翔着陆(如果有机翼)或者使用降落伞着陆(像“联盟号”飞船的太空舱)。
第三个选项是将火箭动力飞机挂在体积更大的母机下方。母机像普通飞机一样起飞,将挂载的飞机运送到尽量高的高空,然后释放。紧接着,被释放的飞机内部的火箭启动,推动自身继续向上飞行。待火箭熄火以后,飞机沿抛物线飞行,最后滑翔返回。
自20世纪40年代以来,第三个选项很明显成为亚轨道飞行器最有效率的发射方式,这是因为如果由母机承担载荷,那么升空阶段就不必消耗飞机自身的燃料。此外,两种运载工具的几乎所有部件都可以重复使用。最有名的火箭动力实验机可能要属X–15。它在将近15千米的高空脱离母机B–52轰炸机,之后以极快的速度爬升到大约108千米的高度——这个高度已经超越了卡门线。火箭动力飞机没有一次性部件(比如外挂燃料箱),再次使用前也不需要大规模翻新。在三种发射技术均可行的情况下,母机挂载火箭动力飞机可能是最具商业可行性的亚轨道飞行方式。
从你开始抛物线运动的那一刻起(见图1.9),直到下落过程中大气层开始对你的航天器施加影响,这段时间里你将处在失重状态。失重也被称作微重力,是亚轨道飞行最有意思的部分,大概持续4~6秒。如果机舱的空间足够大,你会飘起来。
未来亚轨道太空游很可能使用有翼飞行器,它可以像普通飞机那样降落。在降落的过程中,当机翼开始摩擦大气层并且向上抬升飞行器(以减缓下落速度)的时候,你会倒在地板上,并感到体重增加。此时,失重状态下的抛物线飞行阶段即将结束,你需要回到座椅。随着机翼使飞行器不断减速,飞行器会在你身上施加越来越大的推力。在推力和地球重力的共同作用下,你会再次经受进入太空时3g~4g的加速度。
随着飞行器转为常规飞行,高度逐渐下降,直到着陆,这份额外的推力会慢慢变小。
亚轨道飞行去程和返程预计需要30分钟至2小时的时间。
本书评论