飞行器座舱联想
时间：2020-12-08 16:05:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
星际旅行包括行星际航行和恒星际航行。人类已经实现了在太阳系内的不载人行星际旅行，要实现恒星际航行，人类还要付出长时间的努力。
一般认为，恒星际航行所要求的航天器必须达到接近光速的速度，这样的恒星际航行才有实际意义。这是因为，人类探测到的离地球最近的恒星——半人马座“比邻星”的距离是4．22光年，约合40万亿千米，相当于地球到太阳之间距离的27万倍，其他恒星和星系的距离就更远了。如果以现代火箭技术能达到的速度(约20千米／秒左右)进行恒星际旅行，我们到最近的恒星“比邻星”所需要的时间约为65 000年,而到天狼星则约需13万年。
由此，我们不禁想起神秘莫测的飞碟。
如果飞碟真的是外星人的太空飞行器，如果他们生命的本质和生理特征类似于我们，那么，无论飞碟进行宇宙旅行依靠的能源、动力是什么，外星人都必须要解决失重的问题。在太空展开长时间的探索活动，宇航员必须进行失重训练，依靠在太空飞行中经常的体力活动、补充营养和维生素，并不能很有效地克服太空微重力环境引起的失重生理效应。然而，如果飞行器座舱本身能够具有消除或者克服失重对宇航员的影响的作用，那么，即使飞行器的飞行速度不能达到或者接近光速，但随着生命医学和基因技术的发展，人类(地球人或外星人)要远征太空，进行太空开发和太空移民的夙愿还是可望得到实现的。
在漫长的太空旅行中，怎么样的飞行器座舱才能具有消除或者克服失重生理效应的作用呢?在回答这个问题之前，我们有必要先谈一谈失重现象。
现在，我们在一个铁罐底部的侧面开一个洞，先用手指按住这个洞口，接着往铁罐里倒进水。移开手指之后，我们可以看见水从洞中射出。这时，如果让铁罐自由落下，在下落的过程中，水将不再从洞中射出。
这是一个说明铁罐里的水处于失重状态的例子。在一部以重力加速度g加速下降的电梯里，站在电梯里的人也会处于失重状态，这时，人站在体重计上的话，他将会看到体重计上的读数为零。铁罐里的水和电梯里的人之所以处于失重状态，简单说来，是由于水和人(包括体重计)都是以铁罐和电梯的下降速度一起降落的。
如果我们在铁罐的上部安装一个小型的自动感应压力装置，或者在电梯的底部安装一个自动感应拉力器，压力装置和拉力器分别对水和人进行作用，接下来就会出现这样的情形：由于压力片对水施加了压力，水从洞中射出；连接于拉力器和人身上的绳子，由于它向下的拉力作用，体重计上又显示出读数不为零的人的体重。
然而，飞行器在微重力环境中飞行，宇航员依赖拉力器拉力的作用，并不能达到克服失重的目的，而且，采取这种做法也是不实际的、不可行的。因此，我们必须考虑另一种途径。
飞碟——或者说是不明飞行物，它们的外形留给人们最深刻的印象是一个圆盘状的东西。这似乎不是巧合，而是圆具有理想的对称性所带来的必然选择。接下来的例子大概可以说明，由某种构造而成的具圆形的物体，它们在克服失重现象方面将会表现出良好的性能。
假设在一个空心的大球内有一个直径略小于大球的空心小球，小球的外壁嵌装有多个动滑轮，使得小球能够在大球内转动。因为物体的质量越大，它的惯性则越大，如果要求某物体的运动状态不易改变时，可以尽可能地增大该物体的质量。所以，我们在小球的任意部位A设置一个固定重物，例如铁锅状的金属铸件，以求达到小球的运动状态不易改变的目的。为了便于观察到小球在大球运动时的状态，这两个球体可以用透明材料例如塑料或有机玻璃来制作。
这时，我们把这个具有同心圆结构的球体放在一个倾斜度不大的模型旋转梯上，然后让这个球体沿着旋转梯自由运动。这时，我们将观察到：随着球体在旋转梯上的加速运动(滚动)，小球相对于大球基本保持着平衡状态。这就是说，处于球对称轴上的铁锅状金属铸件的弧顶始终垂直指向地心，同样地，铁锅状金属铸件的平面也始终保持与水平面平行。
根据上述的同心圆结构的球体的运动特征，我们再把这个球体包上一层外壳，这样，我们就可以视球体的外壳为飞行器的机身，外壳内的球体就是座舱。同时，我们在座舱内设置一些自动制动的机动装置。接着，我们想象这架球体座舱的飞机做抛物线飞行。
在飞机处于抛物线飞行上升段时，制动控制系统自动解除制动，座舱向后向下向上呈弧形滑动，促使座舱平面恢复水平状态。随着飞机沿抛物线轨道飞行进入了平飞段，制动控制系统再次解除制动，座舱向前向下向上划弧滑动。在这个过程中，由于座椅向前向下向上划弧滑行，使飞行员在驾驶舱内相对于飞机有了一个微小的滑行加速度，飞行员在这个微小的滑行加速度之中，因身体随着驾驶舱运动而处在一个非惯性系中。在这个非惯性系里，飞行员在平飞段处于失重状态时像是被“拉”了一把，从而打破了飞机沿抛物线轨道飞行时造成飞行员失重的状态。
圆这种理想的对称图形显然具有上述的优良性能，但是在现实生活中，由于矩形空间的可利用率胜于圆形空间，以至目前无论是汽车的车厢、列车的车厢还是飞行器座舱，其造型设计都采用了类似于矩形的模式。
其实，为了解决空间利用率的问题，我们可以把飞行器座舱设计成圆环状，这样一来，既解决了空间利用率的问题，又能使座舱更有效地克服失重的效应。从飞碟的造型看来，在我们想象中，飞碟的座舱极有可能就是圆环状的。
在微重力环境中飞行，圆环状座舱所具有的抗失重的作用比球状座舱更加有效。这是因为，圆环状座舱在旋转运行时所产生的惯性离心力，其效应在某种程度上可以类似于他们所受到的重力。
然而，圆环状座舱的圆周运动会不会影响宇航员的操纵效率呢?回答是，这种影响应该是极其微弱的。这是因为，宇航员与座舱的操纵台是一同旋转做圆周运动的，而座舱的旋转速度又不会很大，其惯性离心力不足以影响宇航员的正常操纵效率。
假设圆环状座舱距环心的半径R=1米，它若要产生与地面重力等效的惯性离心力，根据公式mg=mω2R=m(2πn)2R，其转速n=≈0.5转／秒。这是在地球重力环境中，航空器处于失重时所要求达到的数值。在太空微重力环境中，航天器的圆环状座舱的圆周运动速率，可以不由上述公式得出。例如，假设圆环状座舱距圆环中心的内半径R约为3米，座舱的半径约为4.5米，它所需的圆周运动速率约为0.3转／秒。当宇航员的坐姿或站姿使得惯性离心力的作用方向大致沿着头倾到脚部的方向，那么宇航员就可望克服失重状态的影响。
由此可见，圆环状座舱的圆周运动速率一般都不会很大，它给宇航员带来的生理反应是轻微的。圆环状座舱机动的旋转运行不仅能表现出抗失重的效应，而且在飞行器目前可达到的和可望达到的高速飞行中还具有一定的抗超重的效应。这是因为圆环状座舱的机动性所带来的结果,能够使圆环状座舱作为相对于飞行器的一个非惯性系。在这样一个有限空间的非惯性系里，宇航员处于圆环状座舱的惯性力场中，座舱内的宇航员和其他物体(但不包括座舱本身)的运动状态不再直接受到飞行器飞行状态的支配，而是更直接地取决于他们所在的参照系，即圆环状座舱的运动状态。
由等效原理得知，在局部空间中所引入的非惯性系里，惯性力场与一个真实(永久)引力场一样，可以抵消反方向的一个永久引力场。此外，加速度与重力之间又具有等效性。在前面讲过的例子中，水在铁罐自由落下时从洞中射出，人在失重的电梯里仍然使体重计显示出读数不为零的体重，其原因就是因为水和人分别受到了压力器和拉力器的作用，因而，水和人分别获得了一个类似于向下加速度的力。
这时，压力和拉力的效应，致使水和人分别相对于铁罐和电梯向下“加速”，从而表现出重量。
从以上的讨论中，我们大致了解到了同心圆结构的座舱所具有的效应，不仅如此，对于飞碟和某些造型的飞行器来说，同心圆结构的座舱还能够使飞碟在太空飞行中实现快速转向的目的。
