تجربه فراموش نشدنی بی وزنی در پرواز گرانش صفر یکی از آموزش‌های اصلی فضانوردان پیش از پرتاب به فضا، فعالیت در محیط شبیه‌سازی‌شده گرانش ناچیز است. اما روش‌های عملی ایجاد شرایط بی‌وزنی و گرانش ناچیز بر روی زمین که حضور و فعالیت انسان هم در آن محیط امکان‌پذیر باشد، چندان زیاد نیست. آنچه که انسان به عنوان وزن حس می‌کند، واقعاً کشش گرانشی زمین نیست؛ بلکه در حقیقت، نیروی عکس‌العمل عمودی سطح زمین بر فرد است. از آنجا که حذف نیروی گرانش زمین عملاً امکان‌پذیر نیست، روش‌های ایجاد شرایط گرانش ناچیز بر روی زمین باید شرایطی مشابه سقوط آزاد فراهم آورند.

در این مطالعه، ویژگی شرایط بی‌وزنی، نحوه ایجاد آن و در نهایت، جزئیات پرواز گرانش صفر با هدف شناخت بهتر این نوع پروازها و چگونگی به کارگیری آنها در جهت بهره‌برداری علمی- تحقیقاتی و تجاری مورد بررسی قرار می‌گیرد.

بی‌وزنی احساسی است كه فرد در حین سقوط آزاد بدون داشتن وزن ظاهری تجربه می‌كند. عبارت گرانش صفر اغلب به عنوان یك واژه مترادف با بی‌وزنی به كار می‌رود. بی‌‌وزنی در مدار در نتیجه حذف گرانش یا حتی كاهش قابل توجه آن نیست. در حقیقت شتاب ناشی از گرانش در ارتفاع صد كیلومتری نیز تنها سه درصد كمتر از مقدار آن بر روی سطح زمین است؛ به معنای دیگر، شخص ساكن در آن ارتفاع با نرخی تقریباً مشابه فرد نزدیك به زمین، شتاب سقوط می‌گیرد. بی‌وزنی در اصطلاح عام به حالتی اتلاق می‌شود كه شخصی یا جرمی آزادانه سقوط كند؛ این حالت ممكن است در مدار، فضای ماورای جوّ (نواحی دوردست یك سیاره، ستاره یا اجرام عظیم دیگر)، یك هواپیما با مانوری منطبق بر یك مسیر پروازی سهموی خاص و یا دیگر روش‌ها و چارچوب‌های نامتعارف روی دهد.

آنچه كه انسان به عنوان وزن احساس می‌كند، واقعاً نیروی گرانشی كه وی را به سمت مركز زمین می‌كشد نیست؛ هرچند این عبارت، تعریف فنی وزن به شمار می‌رود. آنچه كه ما به عنوان وزن حس می‌كنیم، در حقیقت نیروی عكس‌العمل عمودی زمین (یا هر سطح دیگری كه روی آن قرار داریم) است كه ما را به سمت بالا هل می‌دهد تا نیروی گرانش كه باعث كشیده شدن به سمت پایین می‌شود را خنثی كند. این همان چیزی است كه وزن ظاهری خوانده می‌شود. به عنوان مثال، قطعه فلزی كه داخل یك ظرف قرار دارد، در صورت رها شدن ظرف به شكل سقوط آزاد بی‌وزنی را تجربه می‌كند. دلیل این پدیده آن است كه هنگامی كه قطعه و ظرف هر دو با سرعت یكسان به سمت پایین كشیده می‌شوند، هیچ نیرویی از جانب ته ظرف در مقابل نیروی گرانش به قطعه وارد نمی‌شود. در حالی كه وقتی ظرف روی زمین ساكن است، نیروی گرانش پایین‌كشنده دقیقاً با نیروی وارده از ته ظرف، به همان اندازه و در جهت مخالف، خنثی می‌شود.

از آنجا كه می‌توان قطعه فلز‌ی ساكن بر روی زمین را تقریباً صلب فرض كرد، هر برش عرضی افقی قطعه نه تنها نیروی ناشی از گرانش را تجربه می‌كند بلكه وزن بخش‌های بالای خود را نیز تحمل می‌كند. در مورد یك شیء كه از بالا آویخته شده و از زیر تكیه‌گاهی ندارد، فشار منفی یا گرادیان كشش وجود دارد؛ زیرا هر برش عرضی از جسم آویخته (مثلاً از یك ریسمان)، باید وزن بخش زیر خود را تحمل كند. بدین ترتیب، در بدن انسان نیز مركز احساس وزن چنین گرادیان فشاری را حس می‌كند. به عنوان مثال، هنگام ایستادن بر روی یك پا، پای واقع بر روی زمین نیروی وزن تمامی بدن را حس خواهد كرد، در حالی‌كه پای دیگر و هر دو بازو در معرض گرادیان‌های تنش وزن خود به سمت پایین كشیده می‌شوند.

یك شخص به هنگام سقوط آزاد، وزن قابل‌ اندازه‌گیری خود را حس نمی‌كند؛ چرا كه تمامی بخش‌های بدن وی به‌طور یكسان در حال شتاب‌گیری هستند. با استفاده از این ویژگی، می‌توان شرایطی را ایجاد كرد كه شخص بتواند حالت بی‌وزنی را تجربه كند. اگر در شرایط عادی از یك ارتفاع پنج متری بپرید، حدود یك ثانیه طول می‌كشد تا به زمین برسید. در محیطی كه گرانش آن یك درصد گرانش زمین است، طی همان ارتفاع حدود 10 ثانیه طول می‌كشد. اگر گرانش به یك میلیونیم گرانش زمین كاهش یابد، پرش از ارتفاع پنج متری تا رسیدن به سطح، 1000 ثانیه یا حدود 17 دقیقه به طول خواهد انجامید! این در حالی است كه با توجه به قانون گرانش و رابطه گرانش با عكس مجذور فاصله، برای رسیدن به جایی كه گرانش زمین به یك میلیونیم مقدار آن در سطح زمین كاهش یابد، باید 37/6 میلیون كیلومتر از زمین فاصله بگیریم (حدود 17 برابر دورتر از ماه!).

تصور كنید در یك آسانسور روی باسكول قرار دارید. اگر آسانسور بدون شتاب حركت كند، شما وزن عادی خود را می‌بینید. اگر آسانسور با شتاب به سمت بالا حركت كند، وزن شما بیشتر از معمول نشان داده می‌شود. ولی اگر آسانسور با شتاب به پایین حركت كند، وزن ظاهری شما كاهش می‌یابد. در صورتی كه كابل آسانسور ناگهان پاره شود، شما برای چند لحظه سقوط آزاد و بی‌وزنی را تجربه خواهید كرد.

در حال حاضر، استفاده از روش‌های گوناگون برای كم كردن وزن ظاهری و رسیدن به شرایط بی‌وزنی با اهداف تحقیقاتی و تجاری در سراسر جهان انجام می‌شود. از سوی دیگر، ایجاد شرایط گرانش صفر بر روی زمین، امری حیاتی برای آزمایش‌های مقدماتی فضایی است. این آزمایش‌ها می‌تواند در پیشبرد اهداف و موفقیت پروژه‌های فضایی نقش تعیین‌كننده‌ای را ایفا كند و دقت عملكرد تجهیزات مختلف را در سفرهای فضایی به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشد. مطالعه حالت مواد و برهم‌كنش آنها در شرایط گرانش ناچیز، فرصتی است تا مرزهای علم گسترش یابد. این تحقیقات شامل بیوفناوری، علوم احتراق، فیزیك سیالات، فیزیك پایه و علم مواد می‌شود. در مقابل، هزینه صرف شده برای چنین آزمایش‌هایی در مقایسه با هزینه‌های سرسام‌آور سفرهای فضایی، با توجه به نتایج با ارزش آنها بسیار ناچیز است.

روش‌های گوناگونی برای ایجاد بی‌وزنی بدون خروج از جوّ زمین وجود دارد. یكی از روش‌های كارآمد كاهش وزن، استفاده از پروازهای گرانش صفر است. در این نوع پروازها، شرایط بی‌وزنی با استفاده از هواپیما و طی مانورهای سهمی‌شكل ویژه‌ای حاصل می‌شود. پیش از پرواز، تغییرات لازم در فضای داخلی هواپیما را جهت انجام مناسب آزمایش‌ها اعمال می‌كنند. پروازهای گرانش صفر با توجه به هزینه، مدت زمان ایجاد شرایط بی‌وزنی در هر مانور، امكان انجام انواع آزمایش‌ها و دیگر ویژگی‌های منحصر به‌فرد، روش بسیار مؤثری برای ایجاد بی‌وزنی محسوب می‌شوند؛ به‌ویژه كه با استفاده از آنها، حتی افراد عادی نیز می‌توانند شرایط بی‌وزنی را تجربه كنند.
 

. . .   ایجاد بی‌وزنی و تأثیرات آن
بسیاری از بازدیدكنندگان مراكز فضایی، سراغ اتاق ویژه‌ای را می‌گیرند كه گرانش در آن با زدن دكمه‌ای ناگهان ناپدید شده و فضانوردان می‌توانند در محیط آن معلق شوند! حقیقت این است كه گرانش زمین هیچ‌گاه از بین رفتنی نیست. برای كاهش وزن و در نهایت رسیدن به شرایط بی‌وزنی، باید به طریقی بر گرانش زمین غلبه كرد. تجربه بی‌وزنی در شرایط گرانش صفر و یا گرانش ناچیز حاصل می‌شود.

غالباً عبارت گرانش صفر یا گرانش كاهش‌یافته برای توصیف حالت بی‌وزنی استفاده می‌شود، اما در واقع، فرض صفر بودن گرانش از نظر علمی نادرست است. یك فضاپیما و محتویاتش توسط نیروی گرانش سیاره‌ای كه به دور آن می‌چرخند، در مدار خود نگاه داشته می‌شوند و همگی تقریباً در معرض نیروی گرانش برابری قرار می‌گیرند.

فلسفه باقی ماندن ماهواره‌ها در مدار این است كه به دلیل چرخش آنها به دور زمین با سرعتی خاص، نیروی گریز از مركز به آنها وارد می‌شود كه این نیرو، نیروی گرانش زمین را خنثی می‌كند. از نظر فیزیكی، عبارت گرانش صفر برای توصیف شرایط سقوط آزاد درون وسایل فضایی واقع در مدار استفاده می‌شود. البته همان‌گونه كه ذكر شد، گرانش همچنان در فضا وجود دارد و مانع از پرواز آزادانه ماهواره در فضای تهی بین‌‌سیاره‌ای می‌شود. سرعت مماسی بسیار زیاد ماهواره‌ها به آنها اجازه می‌دهد كه با وجود كشش اجتناب‌پذیر به سوی میدان گرانش زمین، به پایین سقوط نكنند. بنابراین آنچه كه ماهواره‌ها را بالای زمین نگه‌ می‌دارد، ناشی از فقدان گرانش نیست بلكه سرعت چرخش فضاپیماست.


. . .  گرانش ناچیز
عبارت گرانش ناچیز نیز در كنار گرانش صفر به كار می‌رود، چرا كه بی‌وزنی در یك فضاپیما تمام و كمال نیست. دلیل خنثی نشدن كامل گرانش در حالت چرخش ماهواره در مدار زمین یا سفر یك فضاپیما را می‌توان موارد زیر ذكر كرد:
 

• نیروی گرانش برای جرم واحد، به ازای هر سه متر افزایش ارتفاع تقریباً به میزان یك میكرونیوتن كاهش می‌یابد. اجسامی كه جرم متمركز یا نقطه‌ای ندارند، نیروی كشش متغیری به بخش‌های مختلفشان وارد می‌شود.
   

• نیروی جانب مركز در فضا‌پیمای واقع در مدار در بخش فوقانی بیشتر از قسمت‌های پایینی آن است.
   

• اشیای رها شده در فضاپیما به سوی متراكم‌ترین بخش فضاپیما سقوط می‌كنند تا اینكه در نهایت سطوح فضاپیما را لمس كرده، حركتشان متوقف شده و احساس وزن كنند.
   

• در ارتفاع مداری شاتل فضایی یعنی 185 تا 1000 كیلومتر، هوا با وجود اینكه بسیار رقیق است، ولی همچنان باعث كاهش سرعت وسیله بر اثر اصطكاك می‌شود. از این نیروی پسآ، به عنوان وزن در راستای حركت وسیله نام برده می‌شود. در ارتفاعات بالاتر از 1000 كیلومتر، این نیرو در مقایسه با اثر بادهای خورشیدی قابل صرفنظر كردن است.

در سال 2003، علامت گرانش ناچیز به عنوان نشان رسمی مأموریت اس‌تی‌اس-107 شاتل فضایی مورد استفاده قرار گرفت؛ زیرا كه این مأموریت فضایی به تحقیقات جاذبه ناچیز اختصاص داشت. در داخل فضاپیما، گرانش ناچیز ممكن است در مدت زمان‌های طولانی پس از رها شدن سفینه در فضا، به شرطی كه نیروی پیشرانی اعمال نشود و فضاپیما در حال چرخش نباشد، روی دهد. این شرایط هنگامی كه فضاپیما راكت‌های خود را روشن می‌كند و نیروی پیشران بر اثر خروج گازهای حاصل از احتراق به فضاپیما اعمال می‌شود، از بین می‌رود. در چنین شرایطی، گرانش ناشی از شتاب فضاپیما، همه چیز را به سمت نیروی پیشران پرتاب می‌كند.


. . .  تأثیرات بی‌وزنی بر سلامت
با آزمایش بر روی فضانوردانی كه برای مدت زمان‌های طولانی در ایستگاه‌های فضایی زندگی كرده‌اند، به اثبات رسیده است كه شرایط بی‌وزنی در بلندمدت می‌تواند برخی اثرات نامطلوب بر بدن و روان انسان داشته باشد. در حقیقت بدن آدمی با شرایط حاكم روی زمین تطابق كامل پیدا كرده است؛ از این رو، قرار گرفتن در حالت بی‌وزنی باعث تغییر در فعالیت فیزیولوژیكی بدن به صورت موقت یا بلندمدت می‌شود.

شایع‌ترین حالتی كه انسان در چند ساعت اولیه بی‌وزنی تجربه می‌كند، فضازدگی است. از علایم این بیماری می‌توان به حالت تهوع، سرگیجه، سردرد و بی‌حالی اشاره كرد كه اولین بار توسط گرمن تیتوف كیهان‌نورد روس در سال 1961 گزارش شد. از آن تاریخ به بعد، تقریباً در مورد 45 درصد فضانوردان این حالت مشاهده شده است. مدت این بیماری در افراد گوناگون متفاوت است، اما معمولاً بیش از 72 ساعت به طول نمی‌انجامد و پس از آن، فرد به شرایط عادت می‌كند.

در این میان، مهم‌ترین اثر نامطلوب قرارگیری بلندمدت در شرایط بی‌وزنی، تحلیل عضلانی و تضعیف اسكلت استخوانی بدن است كه می‌توان آن را با انجام فعالیت‌های ورزشی ویژه در فضا كاهش داد. از دیگر تأثیرات مهم شرایط بی‌وزنی می‌توان به تغییر در توزیع مایعات در بدن، كاهش سرعت گردش خون، كاهش تولید گلبول‌های قرمز، از بین رفتن توازن بدن و كاهش قدرت تدافعی اشاره كرد. همچنین گرانش صفر اثرات نامطلوبی بر چشم فضانوردان می‌گذارد كه از میان آنها می‌توان به تورم چشم و افزایش فشار داخل چشم در ساعات اولیه حضور در فضا اشاره كرد. بسیاری از اثرات سوء بی‌وزنی مشابه اثرات پیری است. بنابراین دانشمندان بر این عقیده‌اند كه با بررسی شرایط بی‌وزنی می‌توان تأثیرات افزایش سن را شناسایی و در صورت امكان بهبود بخشید.

روند تضعیف استخوان و كاهش روند استخوان‌سازی در بدن در شرایط گرانش صفر هنوز به طور دقیق شناخته نشده است. این فرایند در فضا بر روی تمام اندام‌ها به طور یكسان اثر نمی‌گذارد. حتی مشخص شده است كه برخی استخوان‌ها در یك سفر فضایی ممكن است تقویت شوند. در واقع، استخوان‌هایی كه بیشترین فشار ناشی از گرانش را تحمل می‌كنند، در معرض تضعیف بیشتری قرار دارند. یكی از دلایلی كه جلوگیری از فرایند تحلیل رفتن استخوان‌ها را با مشكل مواجه می‌كند، افت محسوس فشار خون در پاها در شرایط گرانش صفر است.

تحلیل رفتن استخوان‌ها اندكی پس از حضور فضانوردان در فضا آغاز می شود. شرایط ویژه‌ای چون گرانش صفر، نور كم و تجمع درصد بالای دی‌اكسیدكربن اثرات نامطلوبی بر اسكلت بدن دارد. در چنین شرایطی، نرخ كاهش وزن برخی استخوان‌ها در حدود یك تا دو درصد در ماه، یعنی شش برابر نرخ تحلیل استخوان‌ها در بدترین حالت بر روی زمین است. تاكنون تمام فضانوردان درصدی كاهش وزن استخوان را پس از بازگشت به زمین تجربه كرده‌اند. در یكی از وخیم‌ترین موارد، دیوید ولف پس از چهار ماه و نیم حضور در ایستگاه فضایی میر، 40 درصد از وزن عضلات و 12 درصد از وزن استخوان‌های خود را در برخی اندام‌‌ها از دست داده بود.

در شرایط بی‌وزنی، تمهیدات ویژه‌ای مثل ورزش كردن، استفاده از دستگاه‌های ارتعاش‌دهنده اندام‌ها با فركانس پایین و یا داروهای تقویت استخوان آزمایش شده است. در عین حال، تا هنگام كشف روشی مؤثر برای جلوگیری از تضعیف استخوان‌ها و تحلیل عضلانی، عملاً سفرهای بلندمدت سرنشین‌دار مانند سفر به مریخ میسر نخواهد بود. دانشمندان همچنین در تلاشند تا با به كارگیری روش‌هایی مانند چرخش فضاپیما به دور خود و یا استفاده از تجهیزات مكانیكی پیشرفته، نوعی گرانش مصنوعی در فضاپیما ایجاد كنند تا اثرات سوء بی‌وزنی بر بدن فضانوردان به حداقل برسد.


. . .  روش‌های ایجاد بی‌وزنی
به منظور بهره بردن از مزایای گوناگون محیط گرانش ناچیز، روش‌های مختلفی برای ایجاد این شرایط وجود دارد. محیط گرانش صفر افزون بر كاربردهای آموزشی و تجاری، برای انجام آزمایش‌های گوناگون، از آزمایش‌های فیزیولوژی بر روی بدن انسان گرفته تا تغییرات مولكولی در مایعات، استفاده می‌شود. مدت زمانی كه لازم است تا این نمونه‌ها‌ در شرایط گرانش صفر قرار گیرند نیز از چند ثانیه تا چند سال ممكن است تغییر كند. زمان لازم برای انجام آزمایش یا فعالیت در شرایط گرانش ناچیز، محل و شیوه ایجاد بی‌وزنی را تعیین می‌كند؛ اگر این مدت زمان در حد چند ثانیه باشد، از برج‌ها و دالان‌های سقوط، هواپیمای گرانش صفر و یا بالون‌ها استفاده می‌شود. در مواردی كه نمونه‌ها‌ باید زمان بیشتری را در حالت بی وزنی سپری كنند، آزمایش در راكت‌های كاوش، شاتل فضایی یا ایستگاه فضایی انجام می‌شود.

به طور كلی، روش‌های ایجاد شرایط گرانش ناچیز را كه با هدف كاربردهای تحقیقاتی و تجاری توسعه یافته‌اند، می‌توان به تسهیلات كاهش وزن زمینی، پرنده‌های هوایی و پرنده‌های فضایی دسته‌بندی كرد.


. . .  تسهیلات كاهش وزن زمینی
تسهیلات زمینی كه توسط آنها امكان كاهش وزن برای مقاصد تحقیقاتی فراهم می‌شود، به دو دسته كلی برج‌ها و دالان‌های سقوط و تسهیلات شناوری خنثی تقسیم می‌شوند.



الف) برج و دالان‌‌های سقوط
ایجاد گرانش ناچیز بر سطح زمین تنها با قرار دادن اجسام در شرایط سقوط آزاد قابل دستیابی است. با استفاده از برج‌های سقوط می‌توان نمونه‌های آزمایش را برای چند ثانیه در شرایط بی‌وزنی قرار داد. این روش كم‌هزینه بیشتر برای آزمایش نمونه‌های تحت سرمایش و یا در حال جامد شدن استفاده می‌شود.

تسهیلات تحقیقات گرانش صفر از سال 1966 توسط بخش آزمایش‌های فضایی مركز تحقیقات جان گلن ناسا برای محققان علوم و كاربردهای گرانش ناچیز ناسا اداره می‌شود. این تسهیلات منحصر به‌فرد، نقش مهمی را در طراحی، توسعه و آزمایش سخت‌افزارهای پروازهای فضایی و همچنین چگونگی تعریف مأموریت‌های فضایی ناسا ایفا می‌كند. بخش‌های گوناگون این مركز شامل برج سقوط دارای محفظه آزمایش، سامانه كنترل و داده‌برداری، دوربین‌های عكاسی، سامانه تأمین نیرو برای آزمایش‌ها و امكانات فیلمبرداری است. جدا از تحقیقات ناسا برای توسعه تجهیزات فضایی با كمترین هزینه، كاربردهای تجاری این برج در مواردی مانند آزمایش‌های مربوط به ذخیره سیالات برودتی، تحقیقات علوم پایه، امكان‌پذیری انجام آزمایش‌های گوناگون در شرایط گرانش ناچیز ایستگاه فضایی، طراحی و توسعه تجهیزات فضایی و تحقیق اثرات گرانش ناچیز بر پدیده‌های فیزیكی مانند احتراق، فیزیك سیالات، زیست‌فناوری و علم مواد انجام می‌شود.

نمای برج و دالان سقوط در مركز پروازهای فضایی مارشال ناسا   بازیافت كپسول سقوط پس از انجام آزمایش در تسهیلات برج سقوط

برج سقوط مركز دارای یك محفظه سقوط خلاء بوده كه در آن می‌توان وسیله مورد آزمایش را برای مسافت 132 متر، در حدود 18/5 ثانیه در حالت سقوط و بی‌وزنی قرار داد. در انتهای مسیر، نمونه آزمایش در تپه‌ای از ذرات پلی‌اسیترن فرو رفته و شتاب بازدارنده‌ای معادل g 65 را تجربه می‌كند. برای شروع آزمایش در برج‌های سقوط، تجهیزات آزمایش را در محفظه آزمایش استوانه‌ای‌شكل قرار می‌دهند و با مكش هوا در محفظه، خلاء ایجاد می‌كنند تا اثرات شتاب ناشی از نیروهای پسای ایرودینامیكی كاهش یابد. حین سقوط، دوربین‌های داخل محفظه تحولات را ضبط و داده‌های اندازه‌گیری‌شده در اختیار آزمایش‌كنندگان قرار می‌گیرد. در عین حال، از این فناوری نمی‌توان برای آزمایش بر روی انسان استفاده كرد، چرا كه شتاب بازدارنده در انتهای مسیر مرگ‌آور خواهد بود. بیشترین شتابی را كه یك انسان به طور آنی می‌تواند بدون آسیب تحمل كند، در حدود g 20 است. از دیگر كشورهایی كه دارای تسهیلات سقوط آزاد هستند، می‌توان به ژاپن، فرانسه و آلمان اشاره كرد.

مركز پروازهای فضایی مارشال ناسا در هانتسویل آلاباما نیز دالان سقوطی به ارتفاع 105 متر و قطر 4/25 سانتیمتر دارد و می‌تواند سقوط آزادی 6/4 ثانیه‌ای را در شرایط نیمه‌خلاء فراهم سازد. برای آزمایش‌های جامدشوندگی مواد، ابتدا با بمباران الكترونی یا كوره الكترومغناطیس، نمونه را ذوب كرده و سپس در دالان رها می‌كنند.

در ژاپن، یك لوله حفاری 490 متری تبدیل به یك دالان سقوط شده كه شرایطی با گرانش 5-10 برابر گرانش زمین را برای 10 ثانیه فراهم می كند.
 

ب) شناوری خنثی
كاهش وزن را همچنین می‌توان با استفاده از شناوری خنثی شبیه‌سازی كرد. در این فناوری، انسان و تجهیزات در آب و در حالت شناوری قرار داده می‌شوند. ناسا در آزمایشگاه‌های خود از شناوری خنثی برای تحقیق و آزمایش در مورد فعالیت‌های بیرون از فضاپیما مثل راهپیمایی فضایی استفاده می‌كند. این روش یكی از شیوه‌های اصلی آموزش و آماده‌‌سازی فضانوردان برای حضور در شرایط بی‌وزنی است. در واقع، موفقیت در یك عملیات راهپیمایی فضایی تا حد زیادی به تمرین‌های پیش از پرتاب فضانوردان در شرایط بی‌وزنی به‌ویژه در آزمایشگاه‌های شناوری خنثی بستگی دارد. گرچه تمرین در استخرهای آب زمینی دو تفاوت عمده با شرایط بی‌وزنی در فضا دارد. اول اینكه در شناوری خنثی، فضانوردان در شرایط بی‌وزنی كامل نیستند و در لباس‌های ویژه، وزن خود را همچنان احساس می‌كنند. مورد دوم به نیروی پسای آب و مقاومت آن در برابر حركت بازمی‌گردد كه برخی فعالیت‌ها آسان‌تر و برخی را سخت‌تر می‌كند.

تست نمونه اولیه مدول كلمب ایستگاه فضایی بین‌المللی در آزمایشگاه شناوری خنثی ناسا

این آزمایش‌ها همچنین در آزمایشگاه سیستم‌های فضایی دانشگاه مریلند انجام می‌شود كه تنها دانشگاه دارنده فناوری شناوری خنثی در جهان است. در برنامه‌های تجاری نیز كه توسط شركت اسپیس‌ادونچر با مسئولیت محدود عرضه می‌شود، علاقه‌مندان می‌توانند زیر نظر كارشناسان، چگونگی یك راهپیمایی فضایی را در استخرهای مخصوص تجربه كنند.

. . .   پرنده‌های هوایی
مهم‌ترین روش‌های ایجاد شرایط گرانش ناچیز بدون ورود به مرز فضا، به ویژه در مواردی كه حضور انسان در محل آزمایش ضروری است، با استفاده از هواپیماها انجام می‌شود. در این میان، بالون‌های مخصوص هم برای شبیه‌سازی بی‌وزنی در حال توسعه هستند.
 

.  بالون‌های گرانش ناچیز
در مركز فضایی مارشال ناسا امكان استفاده از یك كپسول سقوط مجهز به پیشرانه كه برای ایجاد شرایط گرانش صفر از یك بالون رها می‌شود نیز بررسی شده است. مطالعات تجربی نشان داده است كه كپسولی كه از ارتفاع 40 كیلومتری سطح زمین رها شود، می‌تواند در حدود 20 ثانیه شتابی معادل 3-10 برابر گرانش زمین را فراهم سازد. تحقیقات بعدی نشان داد كه اگر كپسول مجهز به پیشرانه باشد، غلبه بر نیروی ناشی از پسای هوا باعث می‌شود تا شرایط گرانش ناچیز در كپسول به 6-10 برابر گرانش زمین برای مدت 50 ثانیه بهبود یابد. در نهایت كپسول با چتر بر زمین فرود می آید.

.  پروازهای گرانش صفر
اگر برای انجام برخی آزمایش‌ها و فعالیت‌ها، قرارگیری در شرایط گرانش ناچیز در بازه‌های زمانی كوتاه‌مدت كافی باشد، پروازهای گرانش صفر به عنوان كارآمدترین روش پیشنهاد می‌شود. با به‌كارگیری هواپیما و انجام مانورهای ویژه‌ای می‌توان شرایط گرانش ناچیز را ایجاد كرد. این نوع كاهش وزن، پروازهای گرانش صفر خوانده می‌شوند. اگرچه هواپیماها نمی‌توانند شرایط گرانش ناچیز را به كیفیت برج‌ها و دالان‌های سقوط ایجاد كنند، مزیت آنها این است كه آزمایش‌كنندگان می‌توانند خود به انجام آزمایش بپردازند.

هواپیماهای ویژه پروازهای گرانش صفر، هواپیماهایی چون ایرباس A-300 و KC-135 بوئینگ هستند كه در فضای داخلی آنها به منظور انجام آزمایش در شرایط بی‌وزنی، تغییرات لازم داده شده است. چنین پروازهایی 2 تا 3 ساعت به طول می انجامد.

هواپیماهای گرانش صفر می‌توانند با انجام مانورهایی سهمی‌وار، شتاب گرانش را برای مدت كوتاهی به حداقل برسانند. در بخش سوم، این نوع پروازها به تفصیل شرح داده می‌شوند.
 

. . .  پرنده‌های فضایی
برای انجام آزمایش‌های بلندمدت باید به فضا سفر كرد. زمان بی‌وزنی بیشتر، به آزمایش‌كنندگان اجازه می‌دهد تا فرایندهای با سرعت واكنش كمتر و اثرات نامحسوس را بررسی كنند. فضاپیماها را می‌توان آزمایشگاه‌های مناسبی برای تحقیقات گرانش صفر محسوب كرد كه در آنها محققان خود می‌توانند شخصاً به انجام آزمایش بپردازند. آزمایش‌هایی كه تا حدود دو هفته به طول می‌انجامد را می‌توان در شاتل فضایی انجام داد. در ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز یك آزمایشگاه گرانش ناچیز منحصر به‌فرد ساخته شده است.
 

.راكت‌های كاوش
راكت‌های كاوش زیرمداری با طی مسیری سهمی‌وار قادر به ایجاد چند دقیقه سقوط آزاد و حالت بی‌وزنی هستند. شتاب در این حالت كمتر از 5-10 برابر گرانش زمین است. ناسا هم‌اكنون از بیش از 14 نوع متفاوت راكت كاوش برای تحقیقات گوناگون خود استفاده می‌كند. این راكت‌ها می‌توانند محموله‌هایی را تا ارتفاعی مابین 50 كیلومتر تا بیش از 1200 كیلومتر حمل كنند. مدت زمان بی‌وزنی در این راكت‌ها با توجه به عملكرد راكت ممكن است تا چند دقیقه طول بكشد. به عنوان مثال، راكت بلك برانت9 می‌تواند تا 7 دقیقه شرایط گرانش صفر را فراهم آورد. از دیگر راكت‌های معروف ناسا، می‌توان به راكت اسپار اشاره كرد كه عموماً برای بررسی و تحقیق فیزیك سیالات، پخش مایعات و تجزیه الكتریكی استفاده می‌شود. این راكت می‌تواند محموله‌هایی با وزن 300 كیلوگرم را برای چهار تا شش دقیقه در شرایط بی وزنی قرار دهد. هزینه كم و امكان بازیافت محموله‌ها از مزایای این روش محسوب می‌شود.

پروفیل پروازی راكت‌های گرانش ناچیز

.پرنده‌های آزاد
مركز پروازهای فضایی گودارد آمریكا مجموعه ماهواره‌های پرنده آزاد اسپارتان را اداره می‌كند. این نوع ماهواره‌ها می‌توانند محموله‌هایی را از چند روز تا یك سال در مدار تحت شرایط گرانش صفر قرار دهند. از دیگر پرنده‌های آزاد موجود می‌توان به ماهواره حامل قابل‌بازیافت اروپا (یوركا) متعلق به آژانس فضایی اروپا (ایسا) اشاره كرد كه می‌توان آن را به عنوان یك سامانه حامل خودكار با شاتل به مدار حمل و سپس بازیافت نمود. یوركا یك فضاپیما با توانایی حضور بلندمدت در فضا (بین 6 تا 9 ماه) است كه امكان تأمین نیرو، كنترل حرارتی و ارسال داده از محموله را نیز فراهم می‌كند. این فضاپیما، به هنگام پرواز آزاد از مركز كنترل ایسا در آلمان هدایت می‌شود. این فضاپیما اولین پرواز خود را در ژوئیه 1992 با مأموریت اس‌تی‌اس-46 شاتل انجام داد و یك سال بعد با مأموریت اس‌تی‌اس-57 به زمین بازگردانده شد.

.شاتل فضایی
شاتل فضایی سابقه زیادی در پرتاب نمونه‌های آزمایشی حساس به گرانش به مدارهای كم‌ارتفاع زمین دارد. این آزمایش‌ها ممكن است بین چند روز تا دو هفته طول بكشد. معمولاً پیش از پرتاب شاتل، نمونه‌ها در پروازهای گرانش صفر هواپیمای KC-135 ناسا آزمایش می‌شوند.

.ایستگاه‌های فضایی
آزمایش‌های طولانی‌مدت در شرایط گرانش ناچیز در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام می‌شود. در این ایستگاه‌ها، امكان دخالت مستقیم انسان در آزمایش نیز وجود دارد. تأثیر بلندمدت حضور در فضا و شرایط گرانش ناچیز را تنها بر روی فضانوردان خدمه ایستگاه می‌توان تحقیق كرد.
 

. . .  پرواز گرانش صفر
پرواز گرانش صفر، كه با عنوان پرواز سهموی یا خط سیر كپلری نیز شناخته می‌شود، پروازی است كه با استفاده از هواپیماهایی خاص با اندكی تغییرات داخلی تحت پروفیل پروازی ویژه‌ای صورت می‌گیرد. این نوع پروازها در دهه 50 میلادی شناخته شدند. در آن زمان، خلبانان هواپیماهای جنگنده به تفاوت شرایط و سختی حركت طی برخی مانورها پی برده بودند. به همین دلیل، برای امنیت بیشتر، حضور همزمان دو خلبان در پروازها به عنوان استاندارد مطرح شد. ظهور پروازهای فضایی سرنشین‌دار، به استفاده از پروازهای گرانش صفر پیش از پرتاب به منظور آشنایی فضانوردان با شرایط بی‌وزنی و چگونگی اقامت در ایستگاه‌های فضایی انجامید. این پروازها همچنین بهترین شرایط را برای آزمایش تجهیزاتی است كه قرار است به ایستگاه فضایی پرتاب شود، فراهم می‌آورد.

هواپیماهای گرانش صفر با انجام مانورهای سهموی قادرند حدود 20 تا 30 ثانیه حالت بی‌وزنی در داخل هواپیما ایجاد كنند تا دانشمندان بتوانند به تحقیقات و آزمایش‌هایی كه امكان انجام آنها بر روی زمین نیست، بپردازند. در هر مانور، پیش از آغاز شرایط بی‌وزنی و پس از آن، شخص مدتی را در شرایط گرانش زیاد (5/1 تا 8/1 برابر شتاب جاذبه زمین) سپری می‌كند. خلبان یك هواپیمای گرانش صفر، تنها با بهره‌گیری از حس خود و ابزارهای دقیق متعارفی مانند شتاب‌سنج می‌تواند مانورهای ویژه پروازی را برای ایجاد شرایط گرانش صفر یا ناچیز انجام دهد.

این نوع پرواز، تنها روش زیرمداری است كه می‌توان تحت آنها، شرایط بی‌وزنی را به منظور انجام تحقیقات بر روی انسان، حتی در مورد افراد عادی كه فضانورد نیستند، در راستای مطالعات فضایی و یا با اهداف تجاری ایجاد كرد.

پرواز گرانش صفر را می‌توان فرصتی ایده‌آل و كم‌هزینه برای تحقیقات و آزمایش‌های مقدماتی یك سفر بلندمدت فضایی و همچنین تجربه‌ای هیجان‌انگیز برای افراد عادی دانست. در حقیقت، پروازهای گرانش صفر تنها روش عملی تجربه شرایط بی‌وزنی برای انسان بدون حضور در فضاست. در طول این پروازها، شركت‌كنندگان قادر خواهند بود حس گام برداشتن نیل آرمسترانگ بر روی سطح ماه را تجربه كنند. همچنین می‌توانند تجربه گام برداشتن بر روی مریخ را حتی پیش از آنكه انسانی روی این سیاره قدم گذاشته باشد، كسب كنند. اگرچه مدت بی‌وزنی در هر مانور نسبتاً كم است، ولی عموماً عملیات پروازی به تنها یك مانور ختم نمی‌شود. به عنوان مثال، عملیات پرواز گرانش صفر آژانس فضایی اروپا (ایسا) كه با هواپیمای ایرباس A-300 انجام می‌شود، شامل سه پرواز (كه معمولاً در سه روز انجام ‌می‌شود) هریك با 31 مانور سهمی‌گون است.

زمینه‌های گوناگون تحقیقاتی كه عموماً در پروازهای گرانش صفر مورد آزمایش و بررسی قرار می‌گیرد، شامل موارد زیر است:
- مفاهیم فیزیك پایه: بررسی حركت ذرات، فیزیك پلاسما، پدیده تراكم و غیره
- علم مواد: مطالعه خواص ترموفیزیكی، شیمی‌فیزیك، مواد دانه‌ای و غیره؛ مانند آزمایش قالب‌ریزی و ساخت بتن در شرایط گرانش ناچیز با چشم‌انداز زندگی در مریخ
- بیولوژی: تحقیق در مورد فیزیولوژی گیاهان و حیوانات، ویژگی سلول‌های انسانی و غیره
- احتراق و دینامیك سیالات: مطالعه پدیده پاشش سوخت، تشكیل دوده، فرایند احتراق، تبخیر سوخت، انتقال حرارت، دینامیك قطرات، فرایند پخش و غیره
- فیزیولوژی بدن: بررسی عملكرد سیستم گردش خون، سیستم تنفس، سیستم گوارش، سیستم اعصاب، سیستم حركتی و غیره
- فناوری: تست ابزارهای فضایی، تحقیق دوباره آزمایش‌های انجام گرفته در ایستگاه فضایی بین‌المللی، فناوری جدایش فازها، تجهیزات گوناگون فضانوردان، دستگاه‌های نشان‌دهنده وضعیت فضانوردان و غیره؛ مانند آزمایش ربات هدایت‌شونده ویژه فعالیت‌های مداری خارج از فضاپیما.

از پروازهای گرانش صفر در صنعت فیلم‌سازی هم استفاده می‌شود؛ به عنوان مثال، نماهای بی‌وزنی در فیلم آپولو 13 و مجموعه فیلم‌های ماتریكس، در هواپیمای گرانش صفر فیلمبرداری شده است.

. . .  هواپیماهای گرانش صفر
.

استفان هاوکینگ در شرایط گرانش صفر