飞机通过抛物线飞行实现失重的原理是什么?

根据和菜头的回答:需要多大的速度?大概可以获得多长时间的失重?这个时间是不是固定的?公式?
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十一期间有幸作为国内某科研单位的“小白鼠”参加了法国太空研究中心CNES组织的抛物线失重飞行。我就根据自身体验做一下补充。
上面的答案里
@Linus Wang的最完整。

以下文字与图片未经许可禁止转载。
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这次飞行由CNES子公司Novespace负责组织,法国总装备部试飞员值飞。机型为空客A300 Zero-G。是A300系列里的第三架飞机。这家公司负责面向全世界的航天局,科学研究机构提供科研微重力飞行服务。同时也面向个人提供商业微重力体验服务——土豪赶紧去买票!。






飞机经过改装,去掉了机身中段的座椅,作为载荷舱,在机身前后段留下了50个座椅,供实验人员于起飞与降落阶段使用。载荷舱内没有舷窗,墙壁,地板,天花板都铺上了厚厚的海绵,防止失重环境下漂浮造成的碰伤。




下面来回答题主的问题:

1.需要多大的速度?
大概可以获得多长时间的失重?这个时间是不是固定的?

多大速度都可以,可能获得的失重时间长度由飞机速度Vo,进入抛物线的角度ro决定,遵照以下公式




以A300 Zero G为例,它以47度的初始角度和650km/h的初始速度可以获得22秒的微重力环境。

如下图:
A300 Zero G在6000米空中,以810km/h的巡航速度开始拉升机动,经历20秒的1.8G的超重阶段后达到47度仰角。此时驾驶员开始减小油门并推杆减小仰角,并继续上升。与很多人想象的不同,历时22秒的失重在这个时候就开始了,而不是从到达最高点开始俯冲之后。飞机在到达最高点8500米后以390km/h的速度转为俯冲。并不像
@和菜头所说的那样有一个平飞阶段。俯冲阶段则在飞机达到45度俯冲角之后结束。飞行员会拉起机头进入平飞阶段准备下一次抛物线飞行。此时飞机再次进入一个超重阶段,直至飞机完全平飞。
(上图是抛物线机动轨迹和速度变化,下图是抛物线飞行时加速度传感器记录的重力变化)



说是抛物线飞行,是指整个机动过程中飞机的飞行轨迹。飞机其实是将自己注入了一个绕地球质心的椭圆形轨道的远地点末端。所以飞行员会在失重开始的时候向机舱广播:Injection(注入),失重结束时广播:拉起(Pull out)。
说是抛物线飞行,是指整个机动过程中飞机的飞行轨迹。飞机其实是将自己注入了一个绕地球质心的椭圆形轨道的远地点末端。所以飞行员会在失重开始的时候向机舱广播:Injection(注入),失重结束时广播:拉起(Pull out)。





说是失重(0 gravity),其实你不论在地面还是地球轨道上都会受到来自地球的引力,你失去的不是重力,而是重力感。重力感就来自于其他物体对你的支撑。


失重=处于自由落体之中

轨道上的太空人就是由于受到地球引力而时刻处于自由落体之中,但是由于他们处于地球轨道上,永远不会落到地面上,所以他们也就时刻处于失重状态了。

飞机处于巡航状态的时候,发动机推力等于空气阻力,升力等于重力,在进入抛物线失重状态时,驾驶员会减小油门,但仍然保持一定的功率以平衡空气阻力,由于速度的减小与攻角的增大,机翼上的升力也减小趋近于零(不是很确定……有高人可以来指点一下),于是飞机此时只受到重力作用,带着所有乘客做自由落体。






上面介绍完了失重飞行的原理。下面来一个知乎体:乘坐失重飞机是怎样的体验?

  1. 首先你要年满18岁身体健康,没有高血压心脏病,需要医生开具体检证明。上飞机之前要给你注射防晕车的药Scopolamine。没有用药的人会有50%在飞行途中产生呕吐不适。用药之后仅有10%。药力很猛,打完之后和喝醉酒上头一样。有个法国妹子打完针直接扑街了。
  2. 飞机基地位于波尔多Merignac国际机场。飞行区域有两个地方,一个是大西洋,一个是地中海。如果大西洋上天气不好就去地中海。至于为什么在海上,我想陆地上的居民应该没有谁想看到自己头上有人开着一架大飞机在玩过山车对吧。
  3. 飞行持续3小时,每天早上9:30起飞。30分钟爬升前往飞行区域,中途两小时用于完成31次抛物线机动,最后半小时返航 。0号机动是赠品,用来让大家体验失重。随后的30次用于科学实验的。每次抛物线飞行到下一次的时间大约3分钟,五个抛物线为一组,中间有一个较长的间隔5分钟——让不舒服的人去呕吐,以及上厕所。要想避免呕吐,就要避免在超重阶段过多活动头部——站起、坐下或者左右观望——这样会扰乱人体的前庭功能,引起晕船的症状。
  4. 厕所里的水池和马桶都是封死的——没有人想失重的时候看到奇怪的东西从马桶里飞出来吧。男生可以找机组要一个空的矿泉水瓶子,女生——嗯——人家也是考虑过的,有一个类似装了尿不湿的呕吐袋的东西供女生使用。
  5. 发两个图与一段视频,图片分别是A300 Zero G在波尔多吉伦特河口外做Injection与Pull out。这么大的仰角和俯角我也是醉了。 A300 Zero G Flight http://v.youku.com/v_show/id_XODA1NzkzNTE2.html
  6. 然后就是激动人心的登机时间了,所有人都要穿上连体服法国的 或者是中国的 或者是中国的
  7. 登机不用查护照也不用安检,直接上就可以
  8. 这是飞机前部和后部座椅区域 请记住橘黄色的同志,他们是安全员,万一你要是失重控制不住自己乱飞了,他们会来拯救你把你拉回地面的。 请记住橘黄色的同志,他们是安全员,万一你要是失重控制不住自己乱飞了,他们会来拯救你把你拉回地面的。
  9. 中间休息的时间还可以去驾驶舱参观一下。飞行员会在飞行一半的时候交班,一共有三个飞行员和四个机械师来保证飞行的顺利。绿色连体服的就是飞行员。
  10. 超重阶段感觉也很奇特,人会深深地陷入脚下的垫子里,抬起手臂就像是觉得地板上有胶水粘着自己,至于抬腿则极其困难,不仅腿的重量变成了1.8倍,而且另一只脚上承受的重量也增加了。从超重转失重的过程大约持续3秒钟,有种大脑充血的感觉,类似过山车开始俯冲,但是更加强烈,进入失重状态后倒是很适应,没有任何不适。
  11. 下面失重开始:Injection!愤怒的小鸟 这小哥姿势不错 这小哥姿势不错 这些小哥在飞机上装了一堆气瓶和一个内燃机做微重力燃烧实验,我森森的为飞行安全感到担忧。尤其是他们第一天还发生了泄露故障。飞机上的安全装置是有防毒面具的……就是因为这种人的存在…… 这几个国际太空大学(International Space University)的童鞋不知道用脚在干什么 这几个国际太空大学(International Space University)的童鞋不知道用脚在干什么 此外在载荷舱最后面有一个网兜围起来的小房间叫Free Float Zone,没事的人可以进去体验自由漂浮的赶脚,每次限额三人 此外在载荷舱最后面有一个网兜围起来的小房间叫Free Float Zone,没事的人可以进去体验自由漂浮的赶脚,每次限额三人




最后安利飞行组织方Novespace,他们从前年起面向公众提供失重飞行体验服务。有意者可以通过
Weightless Air Zero G flight 公司订票,单人票价
6000欧元 ( 本人面向土豪提供订票及行程安排服务,土豪快来找我)。每次飞行包含15个抛物线,一次火星重力0.38g,一次月球重力0.1g以及13次零重力,每次22秒左右,所以基本上是一秒钟体验20欧元(贵!T_T)明年起每年会有四次公众飞行,所得款项将用于资助太空研究。2015.4.29的飞行已经预定满员。6月19日的飞行即将开始预定,不要错过。没有饥饿营销,没有乘以三,只有50个名额,先到先得!



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土豪可以花6000欧元去买票。那广大屌丝怎么办?下面就为大家带来解决方案:

  1. 苦逼Phd可以想办法说服自己老板把自己的研究课题拿到微重力环境下研究。就可以免费上飞机啦!
  2. 码农可以和老板说在失重环境下开发效率会提高,让老板给你出钱去坐。
  3. 不是Phd也不是码农:失重:漂浮的感觉其实类似于在游泳池里潜水,区别只是水的摩擦力稍微比较大。出门右转游泳池,只要98!超重:买几个沙袋绑在自己的大腿小腿上臂小臂身上,就可以体验两倍重量。但是注意,这个时候的加速度还是,一倍重力加速度。超重转失重:上海迪斯尼过山车,只要998!

Linus Wang

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1. 没有支持力就会失重
对于重力的感觉来自于支持力,包括椅子对我们的支持力,也是每一块肌肉感觉到的支持力(可以把整个人想象成一个有自重的弹簧)。关闭引擎的瞬间,我们受到的力只有重力,这个力使我们向下加速(或者向上减速),我们却感觉不到任何支持力,因此飞机开始失重。

因此不管飞机飞行状态如何,只要关闭引擎,水平飞行的速度又没有产生向上的升力,我们就开始进入完全失重的状态。(如果飞机机翼还感受到一定的升力,就是部分失重。)


2. 倒U型的操作方法和计算:
倒U型,也就是∩型,相当于上抛运动,理想情况是飞机垂直向上飞,达到一定速度以后关闭引擎,此时开始失重,飞机自由上抛向上减速,到达顶端以后自由落体向下加速,回到关闭引擎的水平位置时飞机重新开启引擎,失重感消失。整个∩型的过程中都是失重的,失重时间等于t=2v/g,其中v为垂直向上的速度,g为重力加速度9.8m/s^2。比如你向上的速度是294m/s,可以失重60s。

回到关闭引擎位置的时候我们还会再往下掉一段距离,这段距离是超重的,飞机保持引擎的话会以U型掉到最低点以后往上飞,飞到原来的水平位置时飞机再关闭引擎,又进入失重状态。 假定飞机有一点点向右→的速度,那么整个飞行状态如下:
∩ ∩ ∩ ∩ 失重
U U U U 超重
飞机的飞行轨迹沿着U∩的线条,这两行的分隔线就是飞机关闭和开启引擎的位置。

当然现实中比较难实现垂直上飞,如果以45°角斜向上飞的话,把上图的U和∩中的改成∧和∨就可以了。失重时可以考虑调整机翼的形状,最小化飞机水平速度产生的升力。
∧ ∧ ∧ ∧ 失重
∨ ∨ ∨ ∨ 超重
但是实际上的飞行轨迹还是抛物线,因为水平速度可以看成是匀速,竖直是加速度为g的加速运动。抛物线比较难画,⌒~……,意会一下就好吧?

水平速度对失重时间没有贡献,因此对于相同的失重时间,飞机的总速度需要原来的1/cos45°=√ 2 ≈1.4142 倍。失重时间
t ≈ 1.4142 v/g ,v为斜向上飞的飞机总速度。假如飞机斜向上的速度为294m/s,每次可以失重的时间约为42.5秒。
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个人看法,用的是初中还是高中的牛顿力学。

sa feng

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应该是抛物线型吧。此时飞机不提供动力,依靠剩余速度爬升、下降,此时飞机只受重力作用,因此飞机内部不是惯性系。但根据牛顿第二运动定律,该飞机内部可以看做一个引入惯性力的惯性系,惯性力加速度的方向是与飞机的加速度(也就是重力加速度)方向相反、大小相等。于是飞机中的人就会受到惯性力和重力作用,这两个力大小相反,方向相等,于是就相互抵消。因此就会感到失重。
失重飞机工作过程的简单介绍:
http://baike.baidu.com/view/3464489.htm
其中第3条:
3.失重飞行段:当飞机飞到一定距离时,飞行员同时连续地操作操纵杆和油门杆,使飞机飞出一个抛物线形状的特技飞行,它的上升段相当于物体的垂直上抛运动,下降段相当于物体的自由落体运动,加速或减速运动的惯性力恰好与重力抵消,使飞机处于失重状态;

和菜头

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飞机以45度仰角急速拉升,然后进入平飞,然后再以45度倾角下降。这大概就是你所说的“倒U型”飞行。


在上升阶段,飞机垂直加速度高于重力加速度。改为平飞时,乘客依然有垂直向上的加速度,如果刚好可以和重力加速地反向等数值,那么就进入了失重状态。#这个解释是错误的#

平飞阶段,人只受到重力加速度作用,进入失重状态。


史永宏

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失重?发动机关了往下掉就失重了,跟你在电梯里,电梯往下掉一样。加速度等价于均匀引力场,跟你速度基本没关系,所以可能朝上飞可能朝下飞,如果一开始朝上,再有点水平速度的话,相当于你朝天上扔了块石头的样子,画个抛物线。反正只要发动机关了就失重了。忘了,还得把翅膀收起来,或者把飞机立起来也行

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