第四章微重力

1、第四章第四章 微重力環(huán)境及其模擬技術(shù)微重力環(huán)境及其模擬技術(shù) v4.1 微重力環(huán)境微重力環(huán)境 v航天器在空間軌道上圍繞地球轉(zhuǎn)動是因為航天器具有一定大 小的速度（動能）并受到地球引力的作用，軌道一般為橢圓， 也有圓軌道，以圓軌道為例說明航天器的受力狀態(tài)，航天器 所受地球引力的大小為: v航天器在圓軌道上運動， 在理想情況下，所受外 力就是重力，即 f =mg 其方向指向地球中心。 v當航天器的速度值達到 第一宇宙速度，重力和 離心力兩者抵消。這種 情況稱為“失重”。 2 2 2 0 0 7.89/ e e e Gm Fmam R Gmv RR Gm vkm s R 練習(xí) 軌道高度飛行速度運行周期

2、1300Km 21000Km 310000Km 4 地球同步衛(wèi)星 23h56m4s 地球半徑：地球半徑：6371Km v微重力環(huán)境 衛(wèi)星軌道為橢圓形，其重力不可能絕 對為零。重力加速度相當于地面重力加速度的10-3 g 10-6 g 。一般用 g = 9.8m/s2，來表示地面重力 加速度，空間軌道上航天器上的重力加速度值為 10-310-6g，這種環(huán)境稱為微重力環(huán)境。 2 2 e spacecraft Gmv g RR v天體的引力被與其方向相反的慣性力大部分 抵消后，剩余的微弱重力環(huán)境，稱為微重力 環(huán)境。 v航天器在實際運行中，常常還會受到地球引力以外航天器在實際運行中，常常還會受到地球引

3、力以外 的非引力的干擾和作用，其結(jié)果將導(dǎo)致航天器及其的非引力的干擾和作用，其結(jié)果將導(dǎo)致航天器及其 內(nèi)部的物體獲得額外的加速度。此時，物體與物體內(nèi)部的物體獲得額外的加速度。此時，物體與物體 之間、物體與航天器之間將產(chǎn)生相互作用力，表現(xiàn)之間、物體與航天器之間將產(chǎn)生相互作用力，表現(xiàn) 出出“重力重力”，一般情況下，這種，一般情況下，這種“表觀重力表觀重力”很微很微 小，被稱作微重力?？傊教炱髦械奈⒅亓Νh(huán)境小，被稱作微重力?？傊教炱髦械奈⒅亓Νh(huán)境 是由于航天器在引力場中運行時，受到非引力的作是由于航天器在引力場中運行時，受到非引力的作 用而導(dǎo)致的一種誘發(fā)環(huán)境，是相對于航天器中的失用而導(dǎo)致的一種誘

4、發(fā)環(huán)境，是相對于航天器中的失 重或重或“零重力零重力”環(huán)境而言的。環(huán)境而言的。 4.2 微重力環(huán)境模擬技術(shù)微重力環(huán)境模擬技術(shù) 在地面模擬微重力環(huán)境是進行在地面模擬微重力環(huán)境是進行空間材料加工空間材料加工必必 不可少的先期工作。在微重力環(huán)境下，可以了解材不可少的先期工作。在微重力環(huán)境下，可以了解材 料在空間微重力條件的各種性質(zhì)，找出空間材料加料在空間微重力條件的各種性質(zhì)，找出空間材料加 工實驗的方法，篩選出最可靠，最有經(jīng)濟價值和實工實驗的方法，篩選出最可靠，最有經(jīng)濟價值和實 際推廣價值的材料，還可為飛行設(shè)施提供可靠的設(shè)際推廣價值的材料，還可為飛行設(shè)施提供可靠的設(shè) 計依據(jù)，確定研制空間飛行裝置的可

5、行性。因此，計依據(jù)，確定研制空間飛行裝置的可行性。因此， 微重力環(huán)境的地面模擬技術(shù)是非常重要的。微重力環(huán)境的地面模擬技術(shù)是非常重要的。 模擬方法：數(shù)學(xué)模擬和物理模擬模擬方法：數(shù)學(xué)模擬和物理模擬 物理模擬 v1、落管、落管 v在抽真空的管中，可利用樣品的自由落體來獲得在抽真空的管中，可利用樣品的自由落體來獲得 微重力條件。管內(nèi)抽真空，真空度微重力條件。管內(nèi)抽真空，真空度10-4Pa。微重。微重 力水平一般在力水平一般在10-310-6 g ，微重時間約，微重時間約4.5s左右，左右， 試驗樣品較小。試驗樣品較小。 v美國馬歇爾空間飛行中心建有美國馬歇爾空間飛行中心建有30m、100m落管。落管。

6、 如如30m落管，落管，2.5s； l00m落管，落管， 4.5s v2、落塔、落塔 v落塔不同于落管。它是依靠真空試驗箱使樣品隨箱落塔不同于落管。它是依靠真空試驗箱使樣品隨箱 一起在落塔內(nèi)的空氣中自由下落。如劉易斯研究中一起在落塔內(nèi)的空氣中自由下落。如劉易斯研究中 心的心的145m帶真空落箱的落塔，是用帶真空落箱的落塔，是用0.450.6m厚厚 的鋼筋混凝土圍成的降落井，井高的鋼筋混凝土圍成的降落井，井高155m，直徑，直徑 8.7m。真空落箱高。真空落箱高11m，直徑，直徑6.1m，箱壁厚，箱壁厚1.6 2.5cm。微重力時間可達。微重力時間可達510s。當下落。當下落132m時時 可獲可

7、獲10-5g加速度。加速度。 v 美國美國還建有數(shù)個落塔，塔高分別為還建有數(shù)個落塔，塔高分別為75m、130m和和 170m。做了大量的流體靜力學(xué)、動力學(xué)和燃燒試。做了大量的流體靜力學(xué)、動力學(xué)和燃燒試 驗，以及對難熔難混合金和復(fù)合材料固化等進行了驗，以及對難熔難混合金和復(fù)合材料固化等進行了 研究。研究。 v法國法國的落塔，塔高的落塔，塔高40余米，已進行了余米，已進行了1000多次實驗。多次實驗。 v德國德國建有建有314m地下落塔，用于材料生產(chǎn)實驗。地下落塔，用于材料生產(chǎn)實驗。 v日本日本利用高層建筑開展了金屬結(jié)晶實驗。利用高層建筑開展了金屬結(jié)晶實驗。 v中國中國建有高建有高50m的落塔，進

8、行液體動力學(xué)研究。的落塔，進行液體動力學(xué)研究。 v3、高空氣球、高空氣球 v 當氣球上升至預(yù)定高度時，立即切斷連接件。實當氣球上升至預(yù)定高度時，立即切斷連接件。實 驗艙體自由下降而創(chuàng)造了微重力條件，實驗完畢打驗艙體自由下降而創(chuàng)造了微重力條件，實驗完畢打 開降落傘回收。開降落傘回收。 v法國法國空間中心進行過高度為空間中心進行過高度為35km的氣球?qū)嶒?，微的氣球?qū)嶒?，?重力時間為重力時間為15s，微重力水平為，微重力水平為10-3g 。 v日本日本的氣球?qū)嶒灨叨葹榈臍馇驅(qū)嶒灨叨葹?9km，微重力時間為，微重力時間為20s， 微重力水平為微重力水平為10-3g。在高空氣球上進行了微重力物。在高空

9、氣球上進行了微重力物 理與材料實驗。理與材料實驗。 v4、火箭實驗、火箭實驗 v 探空火箭是進行空間材料實驗的一種較為探空火箭是進行空間材料實驗的一種較為 理想的工具，它模擬空間微重力時間達理想的工具，它模擬空間微重力時間達5 10min ，微重力水平小于，微重力水平小于10-4g 。用它足以。用它足以 研究空間材料加工過程中的許多特殊效應(yīng)，研究空間材料加工過程中的許多特殊效應(yīng)， 能對各種新材料、新工藝進行原理性探討，能對各種新材料、新工藝進行原理性探討， 能對各類新裝置、新系統(tǒng)進行方案性論證試能對各類新裝置、新系統(tǒng)進行方案性論證試 驗。驗。 v美國美國早在早在70年代初就開始了空間材料加工研

10、年代初就開始了空間材料加工研 究，利用黑雁究，利用黑雁VC和奈克和奈克-黑雁黑雁VC探空火箭進探空火箭進 行實驗，截至行實驗，截至1981年進行了年進行了9次火箭發(fā)射實次火箭發(fā)射實 驗，完成了驗，完成了49項材料實驗，其中包括加工裝項材料實驗，其中包括加工裝 置、自動操作原理驗證。該實驗裝置重置、自動操作原理驗證。該實驗裝置重50 190kg，火箭飛行高度，火箭飛行高度255km, 每次飛行提供每次飛行提供 的微重力持續(xù)時間為的微重力持續(xù)時間為57min，微重力水平，微重力水平 為為10-4g以下。以下。 v 蘇聯(lián)蘇聯(lián)從從1976年開始用和平年開始用和平2號高空探測火箭號高空探測火箭 進行空間

11、材料制造實驗。至進行空間材料制造實驗。至1979年，利用火年，利用火 箭進行了涉及合金凝固、制備新型復(fù)合材料箭進行了涉及合金凝固、制備新型復(fù)合材料 等領(lǐng)域約等領(lǐng)域約70項技術(shù)實驗。火箭飛行高度達項技術(shù)實驗。火箭飛行高度達 500km,微重力持續(xù)時間為微重力持續(xù)時間為1015min,微重微重 力水平為力水平為10-4g以下。以下。 v聯(lián)邦德國和瑞典聯(lián)邦德國和瑞典合作，利用合作，利用TEXUS探空火箭，探空火箭， 進行微重力技術(shù)實驗計劃，并于進行微重力技術(shù)實驗計劃，并于1977年開始年開始 用美國的云雀用美國的云雀7探空火箭進行了空間材料實探空火箭進行了空間材料實 驗，到驗，到1983年進行了年進

12、行了9次火箭發(fā)射，取得了次火箭發(fā)射，取得了 晶體生長、新型合金和無容器接觸加工等方晶體生長、新型合金和無容器接觸加工等方 面的一系列實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。面的一系列實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。 v日本日本于于1980年年9月開始用月開始用TT500A火箭進行火箭進行 材料實驗，截止材料實驗，截止1983年已發(fā)射了年已發(fā)射了6次火箭。次火箭。 TT-500A火箭的飛行高度達火箭的飛行高度達300km，能攜帶，能攜帶 330kg有效載荷，提供微重力持續(xù)時間達有效載荷，提供微重力持續(xù)時間達 6min，微重力水平，微重力水平10-4g以下，成功地制造出以下，成功地制造出 彌散鎳合金及化合物半導(dǎo)體晶體。彌散鎳合金及化合物

13、半導(dǎo)體晶體。 v5、地面模擬用的懸浮裝置、地面模擬用的懸浮裝置 v 由于樣品處于重力條件下，所以必須應(yīng)用由于樣品處于重力條件下，所以必須應(yīng)用 懸浮來抵消重力，使樣品懸浮起來以便模擬懸浮來抵消重力，使樣品懸浮起來以便模擬 微重力環(huán)境中材料加工過程和物理現(xiàn)象。這微重力環(huán)境中材料加工過程和物理現(xiàn)象。這 類懸浮裝置有類懸浮裝置有CO2激光器加熱的空氣流懸浮激光器加熱的空氣流懸浮 裝置、電子轟擊加熱的電磁懸浮裝置、靜電裝置、電子轟擊加熱的電磁懸浮裝置、靜電 懸浮裝置等。懸浮裝置等。中國中國已研制成功電磁微重力模已研制成功電磁微重力模 擬裝置。擬裝置。 v 上述地面模擬裝置所獲得的微重力環(huán)境和空間獲得上述

14、地面模擬裝置所獲得的微重力環(huán)境和空間獲得 的微重力環(huán)境只是一種近似的情況。這些裝置獲得的微重力環(huán)境只是一種近似的情況。這些裝置獲得 的微重力條件不能保持長時間穩(wěn)定，而且微重力水的微重力條件不能保持長時間穩(wěn)定，而且微重力水 平只有平只有10-1g左右，這僅能抵消地球重力的部分影響，左右，這僅能抵消地球重力的部分影響， 不可能消除慣性力和粘著力的作用，同時懸浮品體不可能消除慣性力和粘著力的作用，同時懸浮品體 積也不大積也不大。 v6、中性浮力微重力模擬試驗技術(shù)中性浮力微重力模擬試驗技術(shù) v中性浮力試驗是失重環(huán)境的效應(yīng)模擬試驗，它是將中性浮力試驗是失重環(huán)境的效應(yīng)模擬試驗，它是將 試驗對象全部浸泡在水

15、中精確地調(diào)整漂浮器的浮力試驗對象全部浸泡在水中精確地調(diào)整漂浮器的浮力 和配重的大小，使向上的浮力與向下的重力互相抵和配重的大小，使向上的浮力與向下的重力互相抵 消，產(chǎn)生一種隨機平衡的漂浮感覺。在模擬設(shè)備中，消，產(chǎn)生一種隨機平衡的漂浮感覺。在模擬設(shè)備中， 可獲得與空間十分相似的可獲得與空間十分相似的6個自由度運動，可以做個自由度運動，可以做 全尺寸模型試驗，試驗時間能任意延長。全尺寸模型試驗，試驗時間能任意延長。 v作航天員適應(yīng)性訓(xùn)練和作航天員適應(yīng)性訓(xùn)練和 艙外活動的空間操作能艙外活動的空間操作能 力訓(xùn)練，如出艙維修、力訓(xùn)練，如出艙維修、 大型空間站構(gòu)件組裝，大型空間站構(gòu)件組裝， 以及在軌操作程

16、序的檢以及在軌操作程序的檢 驗，包括空間機器人和驗，包括空間機器人和 空間機械臂的操作程序空間機械臂的操作程序 的檢驗。的檢驗。 v馬歇爾航天飛行中馬歇爾航天飛行中 心的中性浮力模擬心的中性浮力模擬 器器 水槽直徑水槽直徑22.88m，深度，深度12.2m，能容納，能容納500m3 的水。水槽可以同時容納的水。水槽可以同時容納4名航天員同時訓(xùn)練，名航天員同時訓(xùn)練， 艙外活動單元可以同時為艙外活動單元可以同時為4個對象服務(wù)。水槽可個對象服務(wù)。水槽可 以連續(xù)進行以連續(xù)進行6個小時試驗個小時試驗 v航天員在中性浮力設(shè)備航天員在中性浮力設(shè)備 中模擬出艙維修航天器中模擬出艙維修航天器 訓(xùn)練訓(xùn)練 美航天員

17、在修美航天員在修 理天空實驗室理天空實驗室 v具體開展的研究項目有：具體開展的研究項目有： v著裝航天員艙內(nèi)活動時的行動和操作訓(xùn)練；著裝航天員艙內(nèi)活動時的行動和操作訓(xùn)練； v航天員在座艙內(nèi)輸送裝備和貨物的模擬試驗；航天員在座艙內(nèi)輸送裝備和貨物的模擬試驗； v航天員在艙外活動的適應(yīng)性訓(xùn)練；航天員在艙外活動的適應(yīng)性訓(xùn)練； v航天員進出座艙的模擬試驗；航天員進出座艙的模擬試驗； v航天器對接操作的模擬試驗；航天器對接操作的模擬試驗； v大型結(jié)構(gòu)組裝的模擬試驗；大型結(jié)構(gòu)組裝的模擬試驗； v航天器維修程序的鑒定試驗；航天器維修程序的鑒定試驗； v輕質(zhì)可展結(jié)構(gòu)的設(shè)計、評價與性能試驗；輕質(zhì)可展結(jié)構(gòu)的設(shè)計、評

18、價與性能試驗； v評價、檢驗飛行硬件；評價、檢驗飛行硬件； v機器人的功能評價試驗；機器人的功能評價試驗； v空間定向運動的研究；空間定向運動的研究； v微重力下人體測量、工效學(xué)的研究以及與航天員活微重力下人體測量、工效學(xué)的研究以及與航天員活 動有關(guān)的工具、裝備的研究；動有關(guān)的工具、裝備的研究； v生命保障系統(tǒng)操作程序的研究與訓(xùn)練；生命保障系統(tǒng)操作程序的研究與訓(xùn)練； v人人機環(huán)控系統(tǒng)的綜合試驗；機環(huán)控系統(tǒng)的綜合試驗； v特殊情況下急救程序的制定和訓(xùn)練；特殊情況下急救程序的制定和訓(xùn)練； v新的訓(xùn)練和工作程序的試驗和評價；新的訓(xùn)練和工作程序的試驗和評價； v飛行前整個飛行程序的綜合性試驗等。飛行前

19、整個飛行程序的綜合性試驗等。 v（3）中性浮力試驗方法的優(yōu)缺點）中性浮力試驗方法的優(yōu)缺點 v a. 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 v 模擬微重力時間（作業(yè)）不受限制，可以任意模擬微重力時間（作業(yè)）不受限制，可以任意 延長。延長。 v 試驗對象在沒有任何約束、具有試驗對象在沒有任何約束、具有6個自由度的個自由度的 條件下進行試驗，這與空間條件十分相似。條件下進行試驗，這與空間條件十分相似。 v 允許用原尺寸飛行型結(jié)構(gòu)允許用原尺寸飛行型結(jié)構(gòu) 的整機和部件做試的整機和部件做試 驗，保證了模擬試驗的真實性。驗，保證了模擬試驗的真實性。 v 浮力不改變重心的位置。浮力不改變重心的位置。 v b. 主要缺點主要缺點

20、v 在水中運動的物體受阻力影響，阻力又是速度在水中運動的物體受阻力影響，阻力又是速度 的函數(shù)，同樣的力加到物體上，在太空和在水中的的函數(shù)，同樣的力加到物體上，在太空和在水中的 速度和加速度的響應(yīng)不同，產(chǎn)生運動軌跡也不同。速度和加速度的響應(yīng)不同，產(chǎn)生運動軌跡也不同。 在有阻尼的水中比沒有阻尼的太空做功更易疲勞。在有阻尼的水中比沒有阻尼的太空做功更易疲勞。 v 為了獲得中性浮力條件需增加壓鉛塊，這樣使為了獲得中性浮力條件需增加壓鉛塊，這樣使 著裝增加著裝增加30%40%的質(zhì)量。的質(zhì)量。 v 試驗員的著裝幾何形狀影響了姿態(tài)的穩(wěn)定性。試驗員的著裝幾何形狀影響了姿態(tài)的穩(wěn)定性。 v 服裝加壓系統(tǒng)對人體新陳

21、代謝有影響。服裝加壓系統(tǒng)對人體新陳代謝有影響。 v7、飛機拋物線飛行模擬微重力環(huán)境、飛機拋物線飛行模擬微重力環(huán)境 v從從20世紀世紀50年代起開始把噴氣式教練機或運輸機改年代起開始把噴氣式教練機或運輸機改 裝為失重飛機。我國在裝為失重飛機。我國在70年代把一架小型教練機改年代把一架小型教練機改 裝為失重飛機。裝為失重飛機。 v俄羅斯、美國、法國、加拿大、比利時、荷蘭和日俄羅斯、美國、法國、加拿大、比利時、荷蘭和日 本等都有了自己的失重飛機。其中，常用的和大型本等都有了自己的失重飛機。其中，常用的和大型 的失重飛機主要是俄羅斯的的失重飛機主要是俄羅斯的“伊爾（伊爾（IL 76MDK）”、美國的、

22、美國的“KC135A”、法國的、法國的“快快 帆號（帆號（caraceLLe）”和和“空中客車空中客車”以及日本的以及日本的 “MU300”。 v 現(xiàn)在的失重飛機，在作拋物線飛行時可以產(chǎn)生幾十現(xiàn)在的失重飛機，在作拋物線飛行時可以產(chǎn)生幾十 秒的秒的10-2g10-3g的微重力時間，而且的微重力時間，而且1次起落可以次起落可以 飛出飛出40條拋物線，這樣累積起來的微重力時間達十條拋物線，這樣累積起來的微重力時間達十 幾分鐘，幾分鐘， v 歐洲空間局從歐洲空間局從1984年以來年以來10年時間里，先后使用年時間里，先后使用 “快帆號快帆號”、“KC135”和和“IL76”型型3種失重飛種失重飛 機，

23、進行了機，進行了20個場次的拋物線飛行實驗活動，總共個場次的拋物線飛行實驗活動，總共 飛出了飛出了1700條拋物線，若以每條拋物線持續(xù)時間條拋物線，若以每條拋物線持續(xù)時間 20s計算，合起來有計算，合起來有3.4210 4 s（9.5h）微重力飛）微重力飛 行時間，相當于在低地球軌道上運行行時間，相當于在低地球軌道上運行6圈。實驗數(shù)圈。實驗數(shù) 量達量達235項，其中流體物理實驗為項，其中流體物理實驗為76項，主要是為項，主要是為 空間實驗室空間實驗室“SL-D1”號作航天飛行前準備工作，人號作航天飛行前準備工作，人 體生理實驗為體生理實驗為70次，為載人航天收集完整的醫(yī)學(xué)數(shù)次，為載人航天收集完

24、整的醫(yī)學(xué)數(shù) 據(jù)。據(jù)。 v8、其他模擬微重力條件的試驗技術(shù)其他模擬微重力條件的試驗技術(shù) v （1）無摩擦力模擬臺試驗技術(shù)）無摩擦力模擬臺試驗技術(shù) v 無摩擦力模擬臺屬機械式零重力模擬裝置，其特?zé)o摩擦力模擬臺屬機械式零重力模擬裝置，其特 點是：活動構(gòu)件利用氣墊、氣浮軸承支托，基本上點是：活動構(gòu)件利用氣墊、氣浮軸承支托，基本上 消除了摩擦力。消除了摩擦力。 v（2）懸索式微重力摸擬試驗技術(shù)）懸索式微重力摸擬試驗技術(shù) 其基本結(jié)構(gòu)由高架其基本結(jié)構(gòu)由高架 的單軌、活動轆車、的單軌、活動轆車、 回轉(zhuǎn)吊鉤、懸索等回轉(zhuǎn)吊鉤、懸索等 組成。組成。 4.3 微重力模擬實例微重力模擬實例 v太陽電池陣微重環(huán)境下展開試驗技術(shù)太陽電池陣微重環(huán)境下展開試驗