10只螞蟻如何毀掉一顆衛星？中國科學家微力測量世界領先

出品：中國科普博覽 SELF格致論道講壇

導語：在地球表面，因為重力的存在，我們驅動汽車、飛機、火箭，都需要巨大的推力，但是在太空中，一只螞蟻的重量就可以推動上百噸重的飛行器，它就是微力。微力能做什么？科學家又是如何捕捉如此小的力量？中科院研究員余西龍在SELF講壇的舞臺上現場演繹微力的魔力。

---嘉賓介紹---

余西龍

中國科學院力學研究所研究員

以下內容由余西龍演講精編而成：

微力究竟有多小？

微力就是非常微小的力，那么這個微小的力，到底有什么作用呢？

好多小朋友過生日時，非常溫馨的一個畫面就是吹蠟燭，吹熄蠟燭應該是非常簡單的事情，一口、兩口、三口也許就把蠟燭吹滅了。但是如果這個事情發生在太空中又會是什么樣呢？

天宮二號是我們國家的一個空間站，它運行在離地球高度393公里的真空環境中，但是實際上由于受到真空微重力和大氣阻力的作用，它的軌道會慢慢下降，它所受到阻力大約是4.6mN，4.6mN是一個非常小的力，日常生活中很難接觸到這么小的力。

余西龍用一個形象的比喻描述了這個力，畫面上是十只螞蟻，一只螞蟻的重量大約是50毫克，十只螞蟻的重量就是天宮二號所受到的微阻力的大小，實際上這個力非常小，但是這么小的力就可以讓空間站每天降落大約70米的高度。

助推器的工作原理

那又是如何讓空間站在那么高的高度運行呢？這張照片上黃色的部件就是一個小的推力器，它的作用就是產生一個力，能夠抵消所受到的阻力，讓飛船穩穩地站在393公里的高空，那么這種小的推力器到底是怎么起作用的呢？或者說它的工作原理又是什么呢？

目前常用的有三種小推力器，一種是所謂的冷氣推力器，它實際上非常簡單，就是一個高壓氣瓶里面裝滿了高壓的氣體，當打開一個閥門氣體排出的時候，就能產生推力，這個推力的作用就類似我們吹一口氣。那么另外一種就是化學推力器，它的工作原理就是利用化學物質燃燒產生的高溫高壓的氣體噴出，產生推力。還有一種是電推力器，這是相對比較復雜的一種推力器，它實際上是通過磁場加速電離的空氣來產生推力。

科學家如何測量微小的推力呢？

現場，研究員余西龍邀請了現場的觀眾上臺參與實驗，利用測量力的推力臺架，試試吹氣的力到底有多大。

在大氣條件下，這位小朋友的吹起沖量是65mNS，換算為太空條件，這個65mNS的沖量可以讓量子衛星跑5萬公里。這個實驗說明，其實一個很小的力在太空中可以讓一個重達數百公斤的衛星飛行很遠的距離。

實際上推力臺架為我們國家衛星的地面發動機做了很大的貢獻，這個臺架在航天部門地面實驗里面是應用過的，它本質上是一個高精度的天平的扭擺系統，它的基本原理就是通過把力轉化為位移進行測量，它的測力范圍大約是在1-1000mN，可以做mN量級的微力測試。

這個臺架實際上是一個非常精密的力學系統，它本質上能做到在重量很重的臺架上測到非常小的位移，因為這個臺架非常靈敏，周圍人的走動都會影響到臺架的穩定性。那么科學家必須為其增加一個阻尼系統，讓這個臺架在工作情況下要迅速停下來，以便進行下一次實驗。上面沒有阻尼的話，它可以在空氣中擺動大約半個小時才能夠停下來，但是如果加了阻尼，大約就幾秒鐘就可以停下來。