第四章微重力要点

第四章微重力环境及其模拟技术4.1微重力环境航天器在空间轨道上围绕地球转动是因为航天器具有一定大小的速度（动能）并受到地球引力的作用，轨道一般为椭圆，也有圆轨道，以圆轨道为例说明航天器的受力状态，航天器所受地球引力ƒ的大小为:航天器在圆轨道上运动，在理想情况下，所受外力就是重力，即f=mg其方向指向地球中心。当航天器的速度值达到第一宇宙速度，重力和离心力两者抵消。这种情况称为“失重”。222007.89/eeeGmFmamRGmvRRGmvkmsR练习轨道高度飞行速度运行周期1300Km21000Km310000Km4地球同步卫星23h56m4s地球半径：6371Km微重力环境卫星轨道为椭圆形，其重力不可能绝对为零。重力加速度相当于地面重力加速度的10-3g～10-6g。一般用g=9.8m/s2，来表示地面重力加速度，空间轨道上航天器上的重力加速度值为10-3～10-6g，这种环境称为微重力环境。22espacecraftGmvgRR天体的引力被与其方向相反的惯性力大部分抵消后，剩余的微弱重力环境，称为微重力环境。航天器在实际运行中，常常还会受到地球引力以外的非引力的干扰和作用，其结果将导致航天器及其内部的物体获得额外的加速度。此时，物体与物体之间、物体与航天器之间将产生相互作用力，表现出“重力”，一般情况下，这种“表观重力”很微小，被称作微重力。总之，航天器中的微重力环境是由于航天器在引力场中运行时，受到非引力的作用而导致的一种诱发环境，是相对于航天器中的失重或“零重力”环境而言的。4.2微重力环境模拟技术在地面模拟微重力环境是进行空间材料加工必不可少的先期工作。在微重力环境下，可以了解材料在空间微重力条件的各种性质，找出空间材料加工实验的方法，筛选出最可靠，最有经济价值和实际推广价值的材料，还可为飞行设施提供可靠的设计依据，确定研制空间飞行装置的可行性。因此，微重力环境的地面模拟技术是非常重要的。模拟方法：数学模拟和物理模拟物理模拟1、落管在抽真空的管中，可利用样品的自由落体来获得微重力条件。管内抽真空，真空度10-4Pa。微重力水平一般在10-3～10-6g，微重时间约4.5s左右，试验样品较小。美国马歇尔空间飞行中心建有30m、100m落管。如30m落管，2.5s；l00m落管，4.5s2、落塔落塔不同于落管。它是依靠真空试验箱使样品随箱一起在落塔内的空气中自由下落。如刘易斯研究中心的145m带真空落箱的落塔，是用0.45～0.6m厚的钢筋混凝土围成的降落井，井高155m，直径8.7m。真空落箱高11m，直径6.1m，箱壁厚1.6～2.5cm。微重力时间可达5～10s。当下落132m时可获10-5g加速度。美国还建有数个落塔，塔高分别为75m、130m和170m。做了大量的流体静力学、动力学和燃烧试验，以及对难熔难混合金和复合材料固化等进行了研究。法国的落塔，塔高40余米，已进行了1000多次实验。德国建有314m地下落塔，用于材料生产实验。日本利用高层建筑开展了金属结晶实验。中国建有高50m的落塔，进行液体动力学研究。3、高空气球当气球上升至预定高度时，立即切断连接件。实验舱体自由下降而创造了微重力条件，实验完毕打开降落伞回收。法国空间中心进行过高度为35km的气球实验，微重力时间为15s，微重力水平为10-3g。日本的气球实验高度为29km，微重力时间为20s，微重力水平为10-3g。在高空气球上进行了微重力物理与材料实验。4、火箭实验探空火箭是进行空间材料实验的一种较为理想的工具，它模拟空间微重力时间达5～10min，微重力水平小于10-4g。用它足以研究空间材料加工过程中的许多特殊效应，能对各种新材料、新工艺进行原理性探讨，能对各类新装置、新系统进行方案性论证试验。美国早在70年代初就开始了空间材料加工研究，利用黑雁VC和奈克-黑雁VC探空火箭进行实验，截至1981年进行了9次火箭发射实验，完成了49项材料实验，其中包括加工装置、自动操作原理验证。该实验装置重50～190kg，火箭飞行高度255km,每次飞行提供的微重力持续时间为5～7min，微重力水平为10-4g以下。苏联从1976年开始用和平2号高空探测火箭进行空间材料制造实验。至1979年，利用火箭进行了涉及合金凝固、制备新型复合材料等领域约70项技术实验。火箭飞行高度达500km,微重力持续时间为10～15min,微重力水平为10-4g以下。联邦德国和瑞典合作，利用TEXUS探空火箭，进行微重力技术实验计划，并于1977年开始用美国的云雀—7探空火箭进行了空间材料实验，到1983年进行了9次火箭发射，取得了晶体生长、新型合金和无容器接触加工等方面的一系列实验数据与经验。日本于1980年9月开始用TT—500A火箭进行材料实验，截止1983年已发射了6次火箭。TT-500A火箭的飞行高度达300km，能携带330kg有效载荷，提供微重力持续时间达6min，微重力水平10-4g以下，成功地制造出弥散镍合金及化合物半导体晶体。5、地面模拟用的悬浮装置由于样品处于重力条件下，所以必须应用悬浮来抵消重力，使样品悬浮起来以便模拟微重力环境中材料加工过程和物理现象。这类悬浮装置有CO2激光器加热的空气流悬浮装置、电子轰击加热的电磁悬浮装置、静电悬浮装置等。中国已研制成功电磁微重力模拟装置。上述地面模拟装置所获得的微重力环境和空间获得的微重力环境只是一种近似的情况。这些装置获得的微重力条件不能保持长时间稳定，而且微重力水平只有10-1g左右，这仅能抵消地球重力的部分影响，不可能消除惯性力和粘着力的作用，同时悬浮品体积也不大。6、中性浮力微重力模拟试验技术中性浮力试验是失重环境的效应模拟试验，它是将试验对象全部浸泡在水中精确地调整漂浮器的浮力和配重的大小，使向上的浮力与向下的重力互相抵消，产生一种随机平衡的漂浮感觉。在模拟设备中，可获得与空间十分相似的6个自由度运动，可以做全尺寸模型试验，试验时间能任意延长。作航天员适应性训练和舱外活动的空间操作能力训练，如出舱维修、大型空间站构件组装，以及在轨操作程序的检验，包括空间机器人和空间机械臂的操作程序的检验。马歇尔航天飞行中心的中性浮力模拟器水槽直径22.88m，深度12.2m，能容纳500m3的水。水槽可以同时容纳4名航天员同时训练，舱外活动单元可以同时为4个对象服务。水槽可以连续进行6个小时试验航天员在中性浮力设备中模拟出舱维修航天器训练美航天员在修理天空实验室具体开展的研究项目有：着装航天员舱内活动时的行动和操作训练；航天员在座舱内输送装备和货物的模拟试验；航天员在舱外活动的适应性训练；航天员进出座舱的模拟试验；航天器对接操作的模拟试验；大型结构组装的模拟试验；航天器维修程序的鉴定试验；轻质可展结构的设计、评价与性能试验；评价、检验飞行硬件；机器人的功能评价试验；空间定向运动的研究；微重力下人体测量、工效学的研究以及与航天员活动有关的工具、装备的研究；生命保障系统操作程序的研究与训练；人―机环控系统的综合试验；特殊情况下急救程序的制定和训练；新的训练和工作程序的试验和评价；飞行前整个飞行程序的综合性试验等。（3）中性浮力试验方法的优缺点a.主要优点①模拟微重力时间（作业）不受限制，可以任意延长。②试验对象在没有任何约束、具有6个自由度的条件下进行试验，这与空间条件十分相似。③允许用原尺寸飞行型结构的整机和部件做试验，保证了模拟试验的真实性。④浮力不改变重心的位置。b.主要缺点①在水中运动的物体受阻力影响，阻力又是速度的函数，同样的力加到物体上，在太空和在水中的速度和加速度的响应不同，产生运动轨迹也不同。在有阻尼的水中比没有阻尼的太空做功更易疲劳。②为了获得中性浮力条件需增加压铅块，这样使着装增加30%～40%的质量。③试验员的着装几何形状影响了姿态的稳定性。④服装加压系统对人体新陈代谢有影响。7、飞机抛物线飞行模拟微重力环境从20世纪50年代起开始把喷气式教练机或运输机改装为失重飞机。我国在70年代把一架小型教练机改装为失重飞机。俄罗斯、美国、法国、加拿大、比利时、荷兰和日本等都有了自己的失重飞机。其中，常用的和大型的失重飞机主要是俄罗斯的“伊尔（IL—76MDK）”、美国的“KC—135A”、法国的“快帆号（caraceLLe）”和“空中客车”以及日本的“MU—300”。现在的失重飞机，在作抛物线飞行时可以产生几十秒的10-2g～10-3g的微重力时间，而且1次起落可以飞出40条抛物线，这样累积起来的微重力时间达十几分钟，欧洲空间局从1984年以来10年时间里，先后使用“快帆号”、“KC135”和“IL—76”型3种失重飞机，进行了20个场次的抛物线飞行实验活动，总共飞出了1700条抛物线，若以每条抛物线持续时间20s计算，合起来有3.42×104s（9.5h）微重力飞行时间，相当于在低地球轨道上运行6圈。实验数量达235项，其中流体物理实验为76项，主要是为空间实验室“SL-D1”号作航天飞行前准备工作，人体生理实验为70次，为载人航天收集完整的医学数据。8、其他模拟微重力条件的试验技术（1）无摩擦力模拟台试验技术无摩擦力模拟台属机械式零重力模拟装置，其特点是：活动构件利用气垫、气浮轴承支托，基本上消除了摩擦力。（2）悬索式微重力摸拟试验技术其基本结构由高架的单轨、活动辘车、回转吊钩、悬索等组成。4.3微重力模拟实例太阳电池阵微重环境下展开试验技术航天器可展开的太阳电池阵，在地面和发射阶段处于收拢状态，入轨后解锁释放，太阳电池阵展开并转向受太阳辐照，给航天器供电，以保证航天器各系统的正常工作。验证展开机构的可靠性以及对空间环境的适应能力，为设计分析提供依据。测试其展开特性，包括展开时间、速度与锁定时的冲击力。要选择弹簧最佳工作点及有关尺寸。研究展开装置的摩擦阻力、空气阻力以及温度，特别是低温对展开特性的影响。（1）气浮展开试验技术该技术是在平台上形成气垫将太阳电池阵托起，在地面的大气环境中，造成无重力影响。试验时每个太阳电池板下对称配置2个气垫元件，使其收拢状态的板面中心平面与地面垂直。气源用干燥净化的压缩空气，工作压力一般为300kPa～700kPa。(2)吊挂式展开试验技术吊挂点通过电池板的质心，沿导轨横向展开。思考题：1、什么是微重力环境，其重力加速度的范围是多大？它是如何产生的？2、简述地面模拟微重力环境的主要方法3、简述中性浮力试验方法的优缺点4、如何进行太阳电池阵微重力模拟环境下展开试验？