地心引力电影中的物理知识（地心引力电影中物理现象解释）

纵观浩瀚宇宙，诸多星辰闪耀，地球本是沧海一粟，却在漫天星河中绽放出了生命的花朵。从人造地球卫星到深空探测器，从登上月球到驰骋星际空间，人类从未停下向黑暗宇宙探寻的脚步，这也帮助很多文学创作者、影视工作者“激活”思想之海。他们汲取科学养分，畅想未来的航天事业，使得电影中出现了诸多令人难忘的航天元素。你都记得哪些难忘的瞬间？这些航天元素背后又有哪些航天知识呢？让我们细细回味。

月背的“黑匣子”和“嫦娥四号”

电影《：太空漫游》中，航天员们在月球背面发现了一个有着完美比例且发射电磁波的黑匣子，或许潜藏着有关人类来源的秘密。虽然这个黑匣子并未在现实的月球上发现，但该电影对月球背面的畅想足以令观影者难忘。

电影《：太空漫游》剧照

数千年来，中国先民根据月球正面月海的形状，创造出了嫦娥、玉兔等神话传说，而月球背面长期是未解之谜。

年1月3日，“嫦娥四号”成功落月，使得中国成为第一个在月球背面实现探测器软着陆的国家。该探测器借助鹊桥中继星，将世界上第一张近距离拍摄的月背影像图传送回地面。从此，人类对于月球背面不再是一无所知，探测月球的新篇章开启了。

嫦娥四号月球探测器和中继星

虽然“嫦娥四号”探测器并未发现奇妙的黑匣子，但无形中承载了探究人类乃至宇宙起源的重要任务。由于月球背面是长波无线电“最干净”的环境，通过探测、研究那里，可以清晰地收集到很多宇宙早期遗留的信息，使得科研人员可以更好地了解我们生存的环境。

旋转圆环空间站和国际空间站

在诸多包含航天元素的影视作品中，空间站及其扩建的航天城是剧情推进的关键地点。有趣的是，在《流浪地球》《星际穿越》等影片中，创作者们参考航天背景知识，创造了绕中间轴旋转的圆环结构空间站。

为何创作者们会不谋而合？因为旋转圆环空间站在理论上可以克服失重的困扰。当前，航天员在太空中长期处于失重状态，难免给身体带来一定的损害。而在科幻作品里，人类要在太空中长期工作生活，在空间站中享受重力就成为“刚需”。

年设计的环形空间站

然而，理想很丰满，现实很骨感。目前空间站受限于材料、结构设计、控制系统等因素，还无法做成圆环结构。如果想在空间站中获得与地球表面近似的重力，也就是舱内加速度接近重力加速度，还要避免旋转对人体造成伤害，那么圆环空间站的半径至少要达到米，而国际空间站的长度也不过是米，所以建成不再失重的空间站还面临着一定困难。

发现号航天飞机上拍摄到的国际空间站

此外，旋转圆环空间站必须重新规划内部结构和舱口。现役和正在研发的空间站内部包括节点舱、生活控制舱、资源舱等，设置了对接口、飞船停泊口、人员出舱口等。如果换成旋转圆环空间站，从形状到空间利用率，从管线布置到抗过载设计，这些设施都可能要“推倒重来”。

“太空拆迁”和中国机械臂

《太空部队》《：太空漫游》《为了全人类》等涉及航天元素的影视作品，都突出展示了机械臂在太空中的作用：有的精巧灵活，体现了未来太空工厂的光明前景；有的上演“太空拆迁大战”，紧张刺激又惹人捧腹；还有的在飞行器对接空间站、太空城时，使用机械臂辅助固定与操作。

美剧《太空部队》中的机械臂

事实上，在空间站中，机械臂起到不可或缺的关键作用。在天和核心舱机械臂支持下，我国已有多名航天员成功出舱，完成舱外扩展泵组安装等一系列作业。随着问天实验舱机械臂成功部署，中国空间站拥有了更加灵活的操作工具，能够更好地承担小型载荷安装任务，在对接目标适配器时，产生的冲击力更小，安全性提升，也降低了运营成本。

据公开资料显示，问天实验舱机械臂具备7个自由度，确保进行“头尾互换”的舱体表面“爬行”作业，未来能在空间站三舱之间大范围转移。其对接机构设计成三指捕获式，可以独立支持航天员舱外作业。

总之，通过2种机械臂强强联合，优势互补，可以进一步扩大触达范围与距离，改善位姿精度。到时候，我们有望见证中国空间站机械臂直接从货舱抓取货物，搬运至实验舱外暴露载荷点，精确地实施安装作业。

中国空间站核心舱机械臂与实验舱机械臂级联组合

太空漫游和太空授课

影视作品中，航天员在太空中度过或孤寂或疲惫的时光后，突然与战友、亲友取得联系，身心备受鼓舞，情到浓时，催人泪下。自电影《：太空漫游》起，航天器内或外星球上的工作人员与地面人员开展实时面对面沟通，就成了几乎必备的航天元素。

年月9日，3名“太空教师”与地面观众成功进行了面对面沟通，向全世界展示了中国空间站上的工作生活场景，演示了微重力环境下的奇异现象，而航天实时通信技术就是太空课堂成功的关键保障。

中国空间站上的“太空课堂”

为此，我国陆续在各地建设了很多基站系统，构筑了庞大的地面通信网络，以便天地通话能够获得更稳定持久的信号。由于无法将地面天线覆盖到全球范围，我国还部署了起到“桥梁”作用的中继卫星。它们能够及时接收空间站发出的信号，解析并发送回地面。

随着传统无线电通信技术遇到性能“瓶颈”，光通信技术逐渐推广，其传送数据的速度是普通电波的7倍以上，还具有信息容量更大、使用成本更低、抗干扰能力更强等优势。

随着航天知识积累和电脑特效技术进步，影视作品中的航天元素呈现方式越来越天马行空，《流浪地球》里点燃木星的壮烈，《星际穿越》中挑战黑洞的震撼，《地心引力》中俯瞰地球的浩瀚之美，《独行月球》里火箭助推袋鼠飞跃地球“背景板”的刺激……

随着人类探索宇宙的深度、广度逐渐加强，航天技术不断突破难关，相信更多优秀的影视作品会体现航天新成果，为航天人提供新灵感，为观影者呈现更多视听盛宴。

本文原标题为《科幻影片：在虚构与现实之间》，载于《太空探索》杂志年第期。

来源：中国航天基金会