太空環(huán)境與空間應(yīng)用

太空環(huán)境與空間應(yīng)用

3.利用探測器的重量（有時稱為重量損失），制造具有理想球形的滾珠，并將不同密度的統(tǒng)一顆粒精煉并生長大體積的均勻顆粒。結(jié)構(gòu)完整，沒有雜質(zhì)，生長著完整的獨特單元，如蟬翼金屬膜和細如頭發(fā)的金屬絲。提取高純度生物藥物，打開空間材料加工和空間科學知識等新的空間應(yīng)用和科學領(lǐng)域。我國返回式衛(wèi)星多次搭載空間材料加工和空間生命科學試驗獲得圓滿成功,特別是其中的太空育種試驗,碩果累累。衛(wèi)星搭載過的多種谷物、蔬菜等植物種子,返回地面后經(jīng)過培育、變異、選優(yōu),其后代果實產(chǎn)量增加,營養(yǎng)成份提高,抗病能力增強。人們往往把這些空間應(yīng)用與科學試驗的成功歸功于微重力的作用,因而使“微重力”一詞廣為傳播。人們也許不知道太空中有高遠位置、高真空、強輻射、超低溫等環(huán)境資源,但對微重力卻并不陌生。然而,關(guān)于微重力的解釋和宣傳似存在著某些科學上的誤區(qū),需要加以澄清,以免以訛傳訛。1重力大小的統(tǒng)計描述根據(jù)《中國大百科全書·力學卷》關(guān)于重力的定義,重力是物體受到的行星或其他天體的引力,在地球附近,重力通常指地球的引力。重力的大小可用重力使物體產(chǎn)生的加速度大小來表示,地球表面的重力加速度g0=9.8m/s2,已熟為人知,所以,其他地方、其他天體的重力或重力加速度常常用地面重力加速度g0來表示,即以g0作單位。某一點處重力大小是與該點到引力中心(以地球為例,則為地心)距離的平方成反比,離地心越遠,重力越小。例如在離地面200～1000km高度范圍內(nèi),重力是地面的94%～75%,即重力加速度為0.94g0～0.75g0;即使在10000km高空,重力還是為地面重力的15%,即0.15g0。根據(jù)引力攝動理論,地球引力的作用范圍是以地心為中心、半徑為92萬km的球形區(qū)域,只有遠離地球幾十萬km處重力才會變得微小(10-3g0以下)。通常所說的航天器中的“微重力”顯然不是這種由天體產(chǎn)生的微小重力,而是一種環(huán)境誘發(fā)的“視重力、表觀重力”(apparentgravity),或者可稱其為“偽重力”(psuedogravity)。2航天器中的重力環(huán)境有關(guān)介紹航天科技的文章常說,太空是一個高真空、強輻射、超低溫和微重力的環(huán)境。前三點——高真空、強輻射、超低溫確實是太空環(huán)境的特點。因為,在太空中(距地面200km以上)大氣壓力已低于5×10-5Pa;太空中有來自太陽的X射線、紫外線等短波電磁輻射、粒子輻射和來自銀河系的γ射線和宇宙粒子輻射;太空的環(huán)境溫度在-200℃以下,以至-269℃(4K)。至于太空中的重力環(huán)境,在離地球10萬km之內(nèi),重力只是有所減少,充其量只能算是“低重力”。航天器中的微重力環(huán)境并不是太空的自然環(huán)境,而是由于航天器在引力場中運行時,受到非引力的作用而導致的一種誘發(fā)環(huán)境,是相對于航天器中的失重或“零重力”環(huán)境而言的。所以,在任何一本空間環(huán)境手冊中是查不到微重力的數(shù)據(jù)的。失重(零重力)本質(zhì)上也是誘發(fā)環(huán)境前所述,只要有天體存在,就有重力存在空中重力并不為零。由于重力是一種“體”,當航天器僅在重力作用下自由飛行時,天器及其內(nèi)部的一切物體,都以相同的速、加速度運動,相互之間沒有作用力,所物體都表現(xiàn)不出有重量,這就是“失重”航天器在運行中,實際上常會受到非引力(非體力)的作用或干擾,其結(jié)果使航天器及其內(nèi)部的物體獲得額外的加速度。這時,物體與物體之間,物體與航天器之間就產(chǎn)生相互作用力,表現(xiàn)出“重量”,物理學上稱這種重量為“表觀重量”,因而衍生出“表觀重力”。這個“表觀重力”或“偽重力”通常是很微小的,人們就簡稱它為“微重力”(microgravity),其實它與天體產(chǎn)生的重力完全是兩回事。3微重力的作用有重力和零重力是矛盾的兩個對立面。們在航天器中進行空間材料加工,空間生科學和流體力學等試驗研究,利用的是航器中產(chǎn)生的零重力(失重)環(huán)境。正是失重這一誘發(fā)環(huán)境提供了輕重不分、上下無別、沉浮不現(xiàn)和對流消失等物理條件,才能實現(xiàn)無容器冶煉,懸浮生長,不同密度流體的均勻混合以及用電泳法高效制取高純度生物藥品,而非引力產(chǎn)生的微重力恰恰破壞了零重力環(huán)境,破壞了無輕重、無上下、無沉浮和無對流的理想條件,構(gòu)成對空間材料加工、空間生命科學等試驗研究的有害干擾,降低了試驗研究的效率、純度、精度或可信度。因此,通常所說:“利用微重力條件進行有關(guān)的空間材料加工和生命科學等試驗”,是功過顛倒,利害不分。為這些空間應(yīng)用與空間科學等試驗研究作出貢獻的是失重而不是微重力。4航天器的微重力微重力產(chǎn)生的根源主要有:(1)殘余的大氣阻力;(2)航天器變軌機動或姿態(tài)調(diào)整時產(chǎn)生的推力;(3)航天器繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動;(4)載人航天器中航天員的走動;(5)重力梯度。第(1)、(5)兩類屬于長期持續(xù)存在的微重力;第(2)、(3)、(4)三類是瞬時的或短暫作用的微重力。4.1表觀重量k殘余大氣阻力主要作用在低地軌道航天器上。大氣阻力產(chǎn)生的微重力(gμ)的大小為:例如,軌道高度300km,航天器的質(zhì)量m為2000kg,平均橫截面積A為10m2,從《空間環(huán)境手冊》中可查出300km處的大氣密度d,算出環(huán)繞速度V,阻力系數(shù)CD取2,即可算出:g＿≈2.5×10-4g0若該航天器中有一質(zhì)量為10kg的設(shè)備,則其表觀重量為25mN。如果航天器帶有精密的彈簧秤,則可以稱出該設(shè)備的表觀重量,除以質(zhì)量,即可得到微重力的實測值。4.2推力器推力t設(shè)航天器質(zhì)量為m,姿控反作用推力器的推力為T,則推力器工作時,產(chǎn)生的微重力例如,航天器質(zhì)量為2000kg,推力器推力為10N,則產(chǎn)生的微重力為5×10-4g0。4.3距質(zhì)心r處的離心微重力設(shè)航天器繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的角速度為k,航天器中在垂直角速度向量的平面內(nèi),距質(zhì)心r處產(chǎn)生的離心微重力為:g＿=k2r例如,航天器轉(zhuǎn)速為1r/min,在垂直于轉(zhuǎn)動軸距質(zhì)心為1m處的離心微重力約為1×10-3g0。4.4重推力的產(chǎn)生設(shè)載人航天器的質(zhì)量為m;航天員為了從一個地點“飛”到另一個地點,用手或腳推航天器艙壁以產(chǎn)生反作用力。設(shè)推力為P,則產(chǎn)生的微重力:例如,載人航天器是質(zhì)量為7000kg的飛船,航天員的推力為10N,則產(chǎn)生的微重力約為1.4×10-4g0。若載人航天器是空間站,其質(zhì)量為數(shù)十噸甚至上百噸,則同樣一名航天員走動產(chǎn)生的微重力將<10-5g0。4.5航天器的微重力a.低軌道航天器設(shè)軌道高度HR(地球半徑),航天器中某點到地面的高度與質(zhì)心到地面的高度之差為d,則該點處因重力梯度產(chǎn)生的微重力:以直徑4m,長度20m的空間站為例,當空間站的縱軸平行地面時,它的頂面和底面處,重力梯度產(chǎn)生的微重力最大,約為6×10-7g0;當空間站縱軸垂直地面時,則最大重力梯度微重力約為3×10-6g0。由計算可見,一般大小的航天器中,因重力梯度產(chǎn)生的微重力很小,可以忽略不計;只有當航天器的尺寸達到百米以至千米級時,才值得考慮b.高軌道航天器設(shè)航天器質(zhì)心到地心的距離是地球半R的n倍(n>2),航天器中與質(zhì)心高度為d處,重力梯度產(chǎn)生的微重力為:例如,在地球靜止軌道上,n=6.62,可得這是由于地球靜止軌道上,重力的絕對值減小,重力梯度也相應(yīng)減小。與近地軌道相比,航天器中同樣的高度差下,重力梯度微重力還要小約300倍,所以完全可以忽略不計。最后要指出的是,微重力是向量。上述5種微重力各有不同的方向。若有2種以上的微重力同時存在時,它們的合成微重力大小應(yīng)按向量疊加。5航天器重、輕和重力波動引起微重力的影響及對策為了提高空間材料加工、生命科學、流體力學及太空育種等試驗研究的效果和精確性,應(yīng)盡可能保持試驗所必需的理想失重條件,減少微重力干擾。應(yīng)采取如下對策:(1)航天器運行軌道高度不能太低,以減小殘余大氣阻力產(chǎn)生的微重力;(2)