“大型真空管”回歸 地火環(huán)境大不同

2022年1月2日，由中國科協(xié)青少年科技中心、中國宇航學會、中國科學院科學傳播局攜手中央廣播電視總臺5G新媒體平臺央視頻，推出的首檔沉浸式科學秀《多YOUNG科學夜》，邀請全國青少年朋友共赴火星過新年。

為了帶給大家一場沉浸式火星之旅，節(jié)目組不僅在舞美、音樂上下足了功夫，營造出如夢如幻的太空環(huán)境，更是與“宇宙級天團”聯(lián)手打磨實驗項目，在科普互動中，帶領(lǐng)青少年們探秘宇宙，點燃大家探索宇宙的夢想。

《多YOUNG科學夜》立足于還原真實的太空環(huán)境，在互動實驗中運用了不少“黑科技”道具，為了模擬火星的低氣壓環(huán)境，節(jié)目組打造了一根直徑80厘米、高2米的大型真空管，還原出稀薄的火星大氣，通過“火星與地球環(huán)境降落對比”實驗，生動展示了“祝融號”火星車在著陸前經(jīng)歷的“恐怖九分鐘”。

1. 火星上有大氣，為什么要用真空管來模擬？

通常工程上所說的真空并不是“空無一物”，而是指氣體稀薄、氣壓比正常大氣壓（約10萬帕）低的一種狀態(tài)，氣體越稀薄、氣壓越低，則意味著真空度越高。例如一般真空吸塵器中的空氣密度比大氣低約20%，即氣壓約8萬帕（-0.2倍大氣壓），這是一種“低真空”；而如真空鍍膜等實驗則要求氣體極稀薄，氣壓低于0.001帕，通常稱為“高真空”。

在《多YOUNG科學夜》節(jié)目中，“天問一號”探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師、火星車設(shè)計者賈陽為青少年們科普火星環(huán)境，火星上的大氣密度大約是地球大氣的1%左右，也是就是氣壓1千帕左右，比吸塵器的真空度高不少，不過仍然算是一種低真空，因此需要借助“真空管”。

2. 降落傘實驗說明了什么？

安全降落永遠是太空探索中最重要的問題之一。

火星上的降落與月球降落有所不同。月球車在月球上降落時，因為月球沒有大氣層，只能完全依靠反推火箭來完成減速、著陸的過程，因此不得不攜帶足夠的燃料。

擁有大氣的火星能夠提供一些氣動減速和降落傘減速的條件，因此可以通過擠壓摩擦的氣動減速和降落傘完成一部分減速過程。不過在只有地球1%左右密度的火星大氣中，降落傘并不足以讓火星車平穩(wěn)落地，到離地100米左右的時候就得開啟反推火箭，來完成最后的降落過程。

飛船在地球降落時，濃密的大氣則可以提供很好的減速效果。如神舟飛船回歸的時候，返回艙經(jīng)過初始和空氣擠壓、摩擦的減速過程后，利用降落傘可以飄飄蕩蕩一直降落到離地1米左右的時候，利用反推火箭的一點緩沖就能完成著陸。

從《多YOUNG科學夜》的“火星與地球環(huán)境降落對比”實驗就能看出。降落傘在地球大氣中一釋放就能迅速完成開傘過程，然后飄然下落。而在模擬火星環(huán)境的真空管中（氣壓約1000帕），降落傘在不到兩米的降落過程中，甚至沒有完全打開。這個對比清楚地看出地球與火星大氣環(huán)境下，降落傘能夠提供的阻力差異。

實驗中，大型真空管內(nèi)高速墜落的降落傘，直觀展示了“祝融號”著陸前的驚險場面，節(jié)目組將抽象的科學原理與具象化的互動實驗相融合，讓青少年們理解火星車著陸背后的不易與艱辛。

3. 真空管中的風扇實驗

不論是火星車的正常工作，未來火星建筑的設(shè)計，又或是否可以在火星上風力發(fā)電，火星上的風是什么樣的，同樣是個值得關(guān)注的問題。

本著勤儉節(jié)約的精神，實驗團隊從設(shè)計之初就把大型真空管設(shè)計成為一個通用的實驗平臺。通過一個簡單的機械結(jié)構(gòu)，樹立的真空管變身水平狀態(tài)，來模擬火星上的風與地球上的不同。

在地球大氣環(huán)境下，用風扇制造的5-6級風（約10米/秒）能夠輕松將火星車模型吹飛，而在真空管模擬的火星大氣環(huán)境下，同樣的風扇在同樣的驅(qū)動條件下高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的風力卻只能讓火星車模型微微顫動。

普通風速計是在地球大氣環(huán)境下標定的旋轉(zhuǎn)與電信號之間的關(guān)系，不能用于真空管中的風速測量，因此真空管內(nèi)未再安置風速計。但對比實驗仍有意義。由于真空管中的氣壓只有地球大氣的1%左右，風扇旋轉(zhuǎn)的阻力小很多，因此在相同的電驅(qū)動條件下，真空管中風扇的轉(zhuǎn)速比地球環(huán)境中的還要快一些。如果我們把風扇鼓風的過程看做氣體分子和扇葉的碰撞過程，那么更高轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生更快的風速，然而在更高的風速下，對火星車模型產(chǎn)生的力量卻弱很多，這足以說明火星的稀薄大氣難以產(chǎn)生足夠的動力來進行風力發(fā)電。然而，風產(chǎn)生的力量小也有一定的好處，在設(shè)計火星車，或是未來設(shè)計火星建筑的時候，對抗風的要求就低很多。

4.真空管背后的故事

《多YOUNG科學夜》由《加油！向未來》原班人馬操刀，依托專業(yè)優(yōu)勢與豐富經(jīng)驗，將舞臺技術(shù)和科學原理相結(jié)合，以“在火星過新年”為主題，設(shè)計多個妙趣橫生的互動實驗，并量身打造大型真空管，還原出火星大氣環(huán)境，將青少年的好奇心帶往外太空。

當年那根6米真空管的導演組和科學實驗團隊，今天又一次在舞臺上用大型真空實驗向大家展現(xiàn)了地球與火星環(huán)境的不同?！都佑?！向未來》培育出的科學節(jié)目導演隊伍、科學實驗隊伍以及二者的深度合作模式，用科學實驗與媒體的結(jié)合，拉近科學與大眾的距離，建立了科普的一種典范。真空管仿佛成為一種符號，與它相伴的導演組和科學實驗團隊保持傳統(tǒng)的同時，還不斷有新鮮血液的加入，當年的導演和實驗員，今天已經(jīng)是媒體科普和高校科普工作的骨干，今天的導演和實驗員，也必將成為明天科普工作的中堅。

星空浩瀚無比，探索永無止境。

科學本身就是求知、求真。青少年的夢想與興趣則是求知求真的動力。

期待在未來能有更多新穎有趣的科普節(jié)目，搭建科學家與有潛質(zhì)的青少年科技人才之間的橋梁，培養(yǎng)出更多既仰望星空又腳踏實地的追夢人。

（作者：北京交通大學副教授 陳征）