10只蚂蚁能毁掉一颗卫星？ | 中科院力学所余西龙

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛导语：在地球表面，因为重力的存在，我们驱动汽车、飞机、火箭，都需要巨大的推力，但是在太空中，一只蚂蚁的重量就可以推动上百吨重的飞行器，它就是微力。微力能做什么？科学家又是如何捕捉如此小的力量？中科院研究员余西龙在SELF讲坛的舞台上现场演绎微力的魔力。 ---嘉宾介绍---余西龙中国科学院力学研究所 研究员以下内容为余西龙演讲实录：大家好，我是来自中国科学院力学研究所的余西龙，我今天要给大家分享的一个主题就是捕捉微力，刚才主持人介绍得很清楚，微力就是非常微小的力，那么这个微小的力，到底有什么作用呢？请大家注意看一下这个画面，好多小朋友过生日，非常温馨的一个画面就是吹蜡烛，那么吹熄蜡烛，应该是非常简单的一个事情，一口、两口、三口也许就把蜡烛吹灭了。但是如果这个事情发生在太空中又会是什么样呢？这是我们国家的飞船天宫二号，我简单介绍一下这个天宫二号，天宫二号是我们国家的一个空间站，它运行在离地球高度393公里的真空环境中，但是实际上由于受到真空微重力和大气阻力的作用，它的轨道会慢慢下降，那么它所受到阻力大约是4.6mN，4.6mN是一个非常小的力，但是我们平时很难接触到这么小的力。下面我用一个比较形象的比喻让大家感觉这个力，我们看到这个画面上是十只蚂蚁，那么一只蚂蚁的重量大约是50毫克，十只蚂蚁的重量就是天宫二号所受到的微阻力的大小，实际上这个力非常小，但是即使这么小的力它就可以让空间站每天降落大约70米的高度。所以我们如何让空间站在那么高的高度运行呢？大家注意到没有这张画面上，实际上那个黄色的部件就是一个小的推力器，它的作用就是产生一个力，能够抵消所受到的阻力，让飞船稳稳地站在393公里的高空，那么这种小的推力器到底是怎么起作用的呢？或者说它的工作原理又是什么呢？我们现在看到三种小推力器，一种就是所谓的冷气推力器，它实际上非常简单，就是一个高压气瓶里面装满了高压的气体，当打开一个阀门气体排出的时候，就能产生推力，这个推力的作用就类似我们吹一口气的情况。那么另外一种就是我们的化学推力器，它的工作原理就是利用化学物质燃烧产生的高温高压的气体（喷出），产生推力。还有一种是电推力器，这是相对比较复杂的一种推力器，它实际上是通过磁场加速电离的空气来产生推力，那么我们怎么来测量这些微小的推力呢？有没有同学或者朋友感兴趣想来进行一个实验？这里有一个推力台架，它就是用来测量力的，那我们今天就试试大家吹气的力到底有多大。这里面就是一个应用于空间的推力器，大家注意看一下小的一个推力器，是冷气推力器。这小朋友的冲量是65mNS，大家看一下这65mNS会起到什么样作用呢？这65mNS的冲量可以让量子卫星跑5万公里。上面这个实验说明，其实一个很小的力在太空中可以让一个重达数百公斤的卫星飞行很远的距离。大家意识到微力在太空中的巨大作用没有？那么我简单介绍一下我们测量力的推力台架，实际上这个推力台架为我们国家卫星的地面的发动机做了很大的贡献，这个台架在航天部门地面实验里面是应用过的，那么它本质上是一个高精度的天平的扭摆系统，它的基本原理就是通过把力转化为位移进行测量，它的测力范围大约是在1-1000mN，可以做mN量级的微力测试。这个台架它有个特点，这个台架实际上是一个非常精密的力学系统，它本质上就能做到在重量很重的一个台架上测到非常小的位移，其次因为这个台架是非常灵敏的，如果我们大家注意的话，刚才上面有一个数字不断在跳动，就是说周围人的走动都会影响到台架的稳定性。那么我们必须增加一个阻尼系统，就是让这个台架在工作情况下要迅速停下来，以便进行下一次实验。 我们注意这个大屏幕上面的这个图片，上面没有阻尼的话，它可以在空气中摆动大约半个小时才能够停下来，但是如果加了阻尼以后，大约就几秒钟就可以停下来。那么我们现在看到微力的作用是巨大的，尤其在我们空间探索里面，它能够让我们的太空飞船和空间站对接在一起，在太空中稳稳地运行，同时它也能够推动我们的火星探测器，或者说其他飞行器飞向别的星球，去探索未知的太空。谢谢大家。“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。