Башни невесомости: установки для экспериментов в условиях нулевой гравитации.

Введение

Структура, используемая для экспериментов в невесомости.
Аттракцион.

В физике и материаловедении, падающая башня или падающая труба – это конструкция, используемая для создания контролируемого периода невесомости для исследуемого объекта. Для остановки падения экспериментальной нагрузки иногда применяются воздушные подушки, гранулы из полистирола, а также магнитные или механические тормоза. В других случаях, высокоскоростное столкновение с основанием в нижней части башни является намеренной частью экспериментального протокола. Не все подобные установки представляют собой башни: Исследовательский центр невесомости NASA Glenn построен на основе вертикального ствола, уходящего на глубину до 510 футов (155 метров) под землю.

Типичная операция

Для типичного эксперимента в материаловедении образец исследуемого материала загружается в верхнюю часть падающей трубы, которая заполняется инертным газом или эвакуируется для создания среды низкого давления. После любой необходимой предварительной обработки (например, индукционного нагрева для расплавления металлического сплава) образец освобождается и падает к дну трубы. Во время падения или при ударе образец может быть исследован с помощью таких приборов, как камеры и пирометры. Падающие башни также часто используются в исследованиях горения. Для данной работы необходимо присутствие кислорода, а полезная нагрузка может быть помещена в аэродинамический щит для изоляции от высокоскоростного потока воздуха при ускорении аппарата к нижней части башни. Посмотрите видео о микрогравитационном эксперименте по горению в NASA Glenn Five Second Drop Facility. Эксперименты по физике жидкостей, а также разработка и испытания космического оборудования также могут проводиться с использованием падающей башни. Иногда наземные исследования, проводимые с помощью падающей башни, служат прелюдией к более масштабным лётным исследованиям; значительно более длительные периоды невесомости могут быть достигнуты с помощью самолетов, выполняющих параболические полёты, или с помощью космических лабораторий на борту космического шаттла или Международной космической станции. Продолжительность свободного падения в падающей трубе зависит от её длины и степени внутренней эвакуации. 105-метровая падающая труба в Космическом центре Маршалла обеспечивает 4,6 секунды невесомости при полной эвакуации. В установке Fallturm Bremen в Бременском университете может использоваться катапульта для запуска эксперимента вверх, чтобы увеличить продолжительность невесомости с 4,74 до почти 9,3 секунд. Исключая физическое пространство, необходимое для начального ускорения, эта техника удваивает эффективную продолжительность невесомости. Исследовательский центр NASA Glenn располагает 5-секундной падающей башней (The Zero Gravity Facility) и 2,2-секундной падающей башней (The 2.2 Second Drop Tower). Значительная часть эксплуатационных расходов на падающую башню связана с необходимостью эвакуации трубы для устранения влияния аэродинамического сопротивления. В качестве альтернативы эксперимент помещается внутрь внешней оболочки (аэродинамического щита), для которой, благодаря своему весу, во время падения уменьшение ускорения из-за сопротивления воздуха меньше.

For a typical materials science experiment, a sample of the material under study is loaded into the top of the drop tube, which is filled with inert gas or evacuated to create a low pressure environment. Following any desired preprocessing (e. g. induction heating to melt a metal alloy), the sample is released to fall to the bottom of the tube. During its flight or upon impact the sample can be characterized with instruments such as cameras and pyrometers. Drop towers are also commonly used in combustion research. For this work, oxygen must be present and the payload may be enclosed in a drag shield to isolate it from high speed "wind" as the apparatus accelerates toward the bottom of the tower. See a video of a microgravity combustion experiment in the NASA Glenn Five Second Drop Facility at
Fluid physics experiments and development and testing of space based hardware can also be conducted using a drop tower. Sometimes, the ground based research performed with a drop tower serves as a prelude to more ambitious, in flight investigation; much longer periods of weightlessness can be achieved with parabolic flight path aircraft or with space based laboratories aboard the Space Shuttle or the International Space Station. The duration of free fall produced in a drop tube depends on the length of the tube and its degree of internal evacuation. The 105 meter drop tube at Marshall Space Flight Center produces 4.6 seconds of weightlessness when it is fully evacuated. In the drop facility Fallturm Bremen at University of Bremen a catapult can be used to throw the experiment upwards to prolong the weightlessness from 4.74 to nearly 9.3 seconds. Negating the physical space needed for the initial acceleration, this technique doubles the effective period of weightlessness. The NASA Glenn Research Center has a 5 second drop tower (The Zero Gravity Facility) and a 2.2 second drop tower (The 2.2 Second Drop Tower). Much of the operating cost of a drop tower is due to the need for evacuation of the drop tube, to eliminate the effect of aerodynamic drag. Alternatively the experiment is placed inside an outer box (the drag shield) for which, due to its weight, during its fall the reduction of acceleration due to air drag is less.

Историческое использование

Хотя эта история может быть апокрифической, общепринято считать, что Галилей использовал Пизанскую башню в качестве башни для экспериментов с падением тел, чтобы продемонстрировать, что все тела ускоряются с одинаковой постоянной скоростью, независимо от их массы. Башни для падения, известные как свинцовые башни, ранее использовались для изготовления свинцовой дроби. Короткий период невесомости позволял расплавленному свинцу затвердевать в почти идеальную сферу к моменту достижения пола башни.