航天飞行中的超重与失重
航天飞行中的超重与失重
在太空飞行时，宇航员会遇到两种不同的情况，这就是超重与失重。加加林在第一次遨游太空时曾有过被紧紧压在座椅上和完全感受不到自己重量的奇异感觉，这前一种现象叫“超重”，后一种叫“失重”。
我们知道，物体重量是由于地球的吸引而使物体受到的力。物体的重量可以用弹簧秤称出来。当物体和弹簧秤静止时，弹簧秤的读数就等于物体的重量;而当挂有物体的弹簧秤急剧上升或下降时，弹簧秤的读数就大于物体的重量或小于物体的重量了。这种当物体存在向上的加速度时，它对悬挂物的拉力(或支撑物的压力)大于物体的重量现象，称作超重现象;当物体存在向下的加速度时，它对悬挂物的拉力(或支撑物的压力)小于物体的重量现象，称作失重现象。
我们可以用一个简单实验来解释加速度是如何导致这两种现象发生的，说明为什么人在很短时间内会突然变“重”或变“轻”。先看超重:若一个人站在电梯内的台秤上，他受到向下重力，mg(g=9．80米/秒2，地面处重力加速度)和台秤向上支撑力N(见图5－3a)。当电梯静止或匀速运动时，根据牛顿第二定律:N=mg;根据牛顿第三定律知道，台秤对人有一向上的支撑力，人同时也给台秤一向下的同等大小的压力N＇(图中未画出)，因此台秤的读数N＇即为人体的重量，也就是人受到的重力大小。
当电梯以加速度a越来越快地上升时，人体所受支撑力为N1(见图5－3b)，根据牛顿第二定律N1－mg= ma，即N1=mg+ma，所以这时台秤所显示读数大于人体的重量，发生了“超重”，这就是加速度造成的。加速度越大，超重现象越明显。航天器发射时，向上的加速度不断增大，宇航员就会感到被紧紧压在座椅上。航天器返回地面时，加速度与速度方向相反，速度急剧降低，这时N2=mg+ma，同样出现超重现象(图5－3c)。
在航天飞行中，若发射与返回时的加速度a=10g，则宇航员的体重将超出10倍，就是说他要承受正常重力环境下11倍的体重冲击!由于返回地面持续时间相对长，这10g的超重状态对宇航员危害更大。超重将影响宇航员的正常生理功能，使软组织受压，人变胖、变矮，改变血液的正常流动，当a=7g时血液会像铁水一样重，当达到a=8g～10g时，血液将会像水银一样重。处在失重状态下，人的血液流向下身，头部供血不足，人会感到眼前发黑，而宇航员经过特殊训练后能够经受住飞行中的超重冲击，同时还能在超重情况下驾驶航天器和操作通迅设备与地面联络。
图5－3 超重和失重
明白了超重产生的原因，失重现象也就好理解了。当电梯以加速度a下降时，台秤对人体的支撑力为N3(见图5－3d)，根据牛顿第二定律mg－N3=ma，即N3= mg－ma，此时秤的读数小于人体重量，发生了“失重”。如果向下的加速度等于重力加速度g，则台秤读数为零，表示完全没有重量了。航天器沿地球轨道运动时，它有一个向下的向心加速度，这个加速度等于航天器高度处的重力加速度，所以航天器便处于失重状态。根据理论分析和空间飞行实践，航天器在太空并不能形成零重力，由于太阳光的压力、地磁场作用力、内部人员走动、机器运转时的振动和陨石的撞击等等影响，航天器内部实际是处于微重力环境下。
应当明白处于超重或失重状态时，人体所受重力始终存在，大小也没有发生变化，只是人体对支撑物的压力发生了变化，所以好像人的重量改变了。
在航天器进入轨道后，随着超重现象的消失而出现的失重，使宇航员及没固定的东西都漂浮在空中，人可以轻易举起很重的物体。因为没有重力也就没有上下之分，人可以头朝下工作。当加加林在首次航行中，准备用笔记下航天日志时，感到在失重情况下写字有些费劲，并且放下笔时系笔的带子松开，笔飘走不见了(后来宇航员上天便携带特制的太空笔)。
在失重情况下，还出现许多与地面上不同的物理现象，如铅球会浮在水面上，油和水均匀混合在一起，水中的气泡不会自动上浮逸出。这时物体没有轻重之分，液、汽体中的物体也无所谓沉浮，不同比重的物质之间的分层和沉淀消失，液、汽体中的对流现象消失。因此，许多要求很高的合金、半导体材料及产品不能在地球上制备或要付出很高代价制备，而在太空失重条件下却较容易制备和生产，从而将诞生一门新产业——空间工业。
长期处于失重环境下同样影响宇航员的身体健康，使人产生类似晕车晕船的感觉，出现腹部不适、面色苍白、恶心、呕吐和昏眩症状。一旦出现这些症状就表明发生了太空生活中难以避免的“空间运动病”，一般几天后可自行消失，而且并非每人都有这种症状，程度轻重也不同。失重也会影响宇航员的正常生理功能，血液大量涌向头部，脸部浮肿，使血液循环系统和平衡系统功能性紊乱，血液中的红细胞明显减少，肌肉松弛，人变瘦变高，味觉迟钝，人向体外排出的钙、磷无机盐增多，造成骨质疏松、心血管功能减退等等。
由于失重和超重现象的存在，即使经过严格挑选的宇航员若不通过专门训练，也不能胜任航天任务。早期航天器发射初的加速阶段宇航员要承受正常重力6倍的压力，这并非每个人都能承受的了的，况且宇航员还要进行飞船驾驶及通讯联络等任务，并要反应灵敏，在特定环境下照样完成任务。所以，那时宇航员多从喷气式飞机驾驶员中选拔，身高、年龄、体质、飞行时间、学历及国籍等都有相当苛刻的规定。随着航天生命保障系统的不断完善和航天器容积的扩大，同时由于一些需要参加航天飞行的专家不具备军人所特有的强健体格和飞行经验，故许多条件已经放宽，使那些经过检查合格的各行各业专家，甚至普通公民，通过宇航员训练完全能进入太空从事科学实验，当然负责飞行驾驶的宇航员及指挥长还是有严格要求的。
选拔出来的人员除了要经过一系列理论、体质、航天模拟训练及心理测试外，超重与失重模拟训练是重点训练之一，要训练入选者对超重的耐力及超重情况下操作航天器和仪器设备的能力;失重环境中如何衣、食、住、行和工作。进行失重模拟训练，还可以抵御空间运动病，保证飞行安全。另外，入选的科研人员也要掌握航天器的操作方法，懂电器、救生和应急系统的使用，每个宇航员都要尽量熟悉分工以外的工作，以防万一。可见，要想成为一名正式的宇航员，必须经过严格训练，淘汰劣者，优中选优。
2003年，10月15日，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船发射成功，将我国航天员扬利伟同志送入太空，并于16日安全返回地面。神舟五号的成功发射标志着我国航天技术已经走在了国际的前列。我国成为了成功进入太空的第三个国家。
继神舟五号载人飞船之后，我国在2005年10月12号又成功地发射了神舟六号载人飞船。在历时115小时35分钟的飞行后，神舟六号又于17日凌晨按时返回地面。这次的神六发射成功标着我国历史上又迈出重要一步。