空间站中为什么会失重，失重就是“失去重量”吗？

航天员的太空授课让我们看到了空间站中的微重力环境带来的诸多神奇的现象。 微重力环境是指物体的重量接近于零，也就是我们常说的失重环境。但是，空间站中为什么会失重呢?我们把这个问题再扩大一点，轨道上环绕地球飞行的航天器及其内部的物体为什么会失重呢?

中国空间站内的航天员(图片来源：中国载人航天官网)

我们先来看看几种比较流行的误解：

误解一：环绕地球飞行的航天器同时受到地球引力以及圆周运动带来的离心力作用，二力平衡合力为零，所以航天器失重。

错误原因：牛顿第一定律告诉我们，在不受到外力(包括受到的合力为零)的情况下，物体会保持匀速直线运动或静止状态。而航天器环绕地球运动，所以上述说法不成立。实际上，离心力是一种虚拟力，而不是真实存在的力。在不考虑太阳光压、地球大气阻力、月球引力等非常小的力的情况下，航天器环绕轨道飞行时只受到一个主要的力的作用，那就是地球引力。

误解二：航天器距离地球比较远，受到的地球引力很小，所以失重。

错误原因：以空间站为例，空间站距地面约400公里，重力加速度大约是地面上的89%，也就是说，空间站及其内部的物品在这一轨道高度下受到的地球引力为地面的89%。而也正是由于这89%的地球引力的存在，空间站才会围绕地球飞行，而不会脱离地球、飞向深空。

那么，在空间站中到底为什么会失重呢?失重，就是物体受到的支撑力或拉力小于物体的重力。重量和重力是两个概念。重力只和重力加速度有关，理论上来说，在地球的同一个高度上重力不变。重量可以简单理解为测量工具(例如秤)测量出来的力，也就是秤给予被测物体的支撑力。当物体失去支撑，重量就会变成零，这就产生了失重。举个生活中的例子，当电梯快速下降时，电梯中的我们会感受到短时间的失重。这是因为电梯静止不动时，电梯和电梯里的人受到的支撑力和重力相等;而电梯加速下降时，电梯和电梯里的人受到的支撑力小于重力。如果站在体重秤上坐电梯，电梯上下过程中我们就能观察到重量的变化了。

目前制造微重力环境最常用的方法有4种：落塔、飞机、火箭和航天器。其中落塔最好理解，就是在高处将物体释放使其垂直自由落体。物体自由落体的过程中，只受到重力作用，而没有其他支撑力或拉力，因而处于失重状态。位于德国不来梅大学的落塔塔高146m，在“跌落模式”下，实验系统从120m的高度被释放，系统中的物体可获得4.74s的微重力时间;“弹射模式”下，实验系统被垂直弹射到塔顶然后自由落回，系统中的物体最长可获得9.3秒的微重力时间。

德国不来梅大学落塔(图片来源：ESA官网)

失重飞机的原理与落塔的“弹射模式”原理类似，通过抛物线飞行来获得微重力，轨迹见下图。在中间段会将飞机发动机关机，前半段靠惯性保持上升状态但速度逐渐减小，到达顶端后加速下降，即飞机减速上升及加速下降期间，飞机处于失重状态。此时飞机的加速度方向向下，也就是受到的合力方向向下，即重力大于升力(空气对飞机的支撑力)，从而得到失重环境。

失重飞机飞行轨迹(图片来源：维基百科)

同样，空间站之所以失重，也是因为只受到重力的作用而没有其他任何的支撑力，实际上处于落向地面的运动状态。这似乎很难理解——空间站明明在环绕地球飞行呀?

空间站确实在落向地面，但是地球是球形的，在空间站落回地面的同时，地球的地平线也在下降。而空间站达到第一宇宙速度后其下降速度与地平线的下降速度相同，也就是永远落不回地球了。

当然，这是理论状态。空间站在轨飞行时会受到太阳、月球引力、太阳风、大气阻力等影响，导致速度不断降低，轨道高度随之不断下降。所以地面飞行控制人员会定期通过发动机推进保持它的轨道，这样空间站就不会落回地球了。

编辑：ZMX 审编：AD