第四章微重力

1、第四章第四章 微重力环境及其模拟技术微重力环境及其模拟技术 v4.1 微重力环境微重力环境 v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 所受地球引力的大小为: v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。 v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”。 2 2 2 0 0 7.89/ e e e Gm Fmam R Gmv RR Gm vkm s R 练习 轨道高度飞行速度运行周期

2、1300Km 21000Km 310000Km 4 地球同步卫星 23h56m4s 地球半径：地球半径：6371Km v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10-3 g 10-6 g 。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 10-310-6g，这种环境称为微重力环境。 2 2 e spacecraft Gmv g RR v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。 v航天器在实际运行中，常常还会受到地球引力以外航天器在实际运行中，常常还会受到地球引

3、力以外 的非引力的干扰和作用，其结果将导致航天器及其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，表现之间、物体与航天器之间将产生相互作用力，表现 出出“重力重力”，一般情况下，这种，一般情况下，这种“表观重力表观重力”很微很微 小，被称作微重力。总之，航天器中的微重力环境小，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用而导致的一种诱

4、发环境，是相对于航天器中的失 重或重或“零重力零重力”环境而言的。环境而言的。 4.2 微重力环境模拟技术微重力环境模拟技术 在地面模拟微重力环境是进行在地面模拟微重力环境是进行空间材料加工空间材料加工必必 不可少的先期工作。在微重力环境下，可以了解材不可少的先期工作。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

5、行性。因此，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。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模拟方法：数学模拟和物理模拟 物理模拟 v1、落管、落管 v在抽真空的管中，可利用样品的自由落体来获得在抽真空的管中，可利用样品的自由落体来获得 微重力条件。管内抽真空，真空度微重力条件。管内抽真空，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 ，微重时间约，微重时间约4.5s左右，左右， 试验样品较小。试验样品较小。 v美国马歇尔空间飞行中心建有美国马歇尔空间飞行中心建有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。它是依靠真空试验箱使样品随箱落塔不同于落管。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。如刘易斯研究中一起在落塔内的空气中自由下落。如刘易斯研究中 心的心的145m带真空落箱的落塔，是用带真空落箱的落塔，是用0.450.6m厚厚 的钢筋混凝土围成的降落井，井高的钢筋混凝土围成的降落井，井高155m，直径，直径 8.7m。真空落箱高。真空落箱高11m，直径，直径6.1m，箱壁厚，箱壁厚1.6 2.5cm。微重力时间可达。微重力时间可达510s。当下落。当下落132m时时 可获可

7、获10-5g加速度。加速度。 v 美国美国还建有数个落塔，塔高分别为还建有数个落塔，塔高分别为75m、130m和和 170m。做了大量的流体静力学、动力学和燃烧试。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验，以及对难熔难混合金和复合材料固化等进行了 研究。研究。 v法国法国的落塔，塔高的落塔，塔高40余米，已进行了余米，已进行了1000多次实验。多次实验。 v德国德国建有建有314m地下落塔，用于材料生产实验。地下落塔，用于材料生产实验。 v日本日本利用高层建筑开展了金属结晶实验。利用高层建筑开展了金属结晶实验。 v中国中国建有高建有高50m的落塔，进

8、行液体动力学研究。的落塔，进行液体动力学研究。 v3、高空气球、高空气球 v 当气球上升至预定高度时，立即切断连接件。实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。开降落伞回收。 v法国法国空间中心进行过高度为空间中心进行过高度为35km的气球实验，微的气球实验，微 重力时间为重力时间为15s，微重力水平为，微重力水平为10-3g 。 v日本日本的气球实验高度为的气球实验高度为29km，微重力时间为，微重力时间为20s， 微重力水平为微重力水平为10-3g。在高空气球上进行了微重力物。在高空

9、气球上进行了微重力物 理与材料实验。理与材料实验。 v4、火箭实验、火箭实验 v 探空火箭是进行空间材料实验的一种较为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，微重力水平小于10-4g 。用它足以。用它足以 研究空间材料加工过程中的许多特殊效应，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能对各类新装置、新系统进行方案性论证试 验。验。 v美国美国早在早在70年代初就开始了空间材料加工研

10、年代初就开始了空间材料加工研 究，利用黑雁究，利用黑雁VC和奈克和奈克-黑雁黑雁VC探空火箭进探空火箭进 行实验，截至行实验，截至1981年进行了年进行了9次火箭发射实次火箭发射实 验，完成了验，完成了49项材料实验，其中包括加工装项材料实验，其中包括加工装 置、自动操作原理验证。该实验装置重置、自动操作原理验证。该实验装置重50 190kg，火箭飞行高度，火箭飞行高度255km, 每次飞行提供每次飞行提供 的微重力持续时间为的微重力持续时间为57min，微重力水平，微重力水平 为为10-4g以下。以下。 v 苏联苏联从从1976年开始用和平年开始用和平2号高空探测火箭号高空探测火箭 进行空间

11、材料制造实验。至进行空间材料制造实验。至1979年，利用火年，利用火 箭进行了涉及合金凝固、制备新型复合材料箭进行了涉及合金凝固、制备新型复合材料 等领域约等领域约70项技术实验。火箭飞行高度达项技术实验。火箭飞行高度达 500km,微重力持续时间为微重力持续时间为1015min,微重微重 力水平为力水平为10-4g以下。以下。 v联邦德国和瑞典联邦德国和瑞典合作，利用合作，利用TEXUS探空火箭，探空火箭， 进行微重力技术实验计划，并于进行微重力技术实验计划，并于1977年开始年开始 用美国的云雀用美国的云雀7探空火箭进行了空间材料实探空火箭进行了空间材料实 验，到验，到1983年进行了年进

12、行了9次火箭发射，取得了次火箭发射，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。面的一系列实验数据与经验。 v日本日本于于1980年年9月开始用月开始用TT500A火箭进行火箭进行 材料实验，截止材料实验，截止1983年已发射了年已发射了6次火箭。次火箭。 TT-500A火箭的飞行高度达火箭的飞行高度达300km，能携带，能携带 330kg有效载荷，提供微重力持续时间达有效载荷，提供微重力持续时间达 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 弥散镍合金及化合物半导体晶体。弥散镍合金及化合物

13、半导体晶体。 v5、地面模拟用的悬浮装置、地面模拟用的悬浮装置 v 由于样品处于重力条件下，所以必须应用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。这微重力环境中材料加工过程和物理现象。这 类悬浮装置有类悬浮装置有CO2激光器加热的空气流悬浮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、静电装置、电子轰击加热的电磁悬浮装置、静电 悬浮装置等。悬浮装置等。中国中国已研制成功电磁微重力模已研制成功电磁微重力模 拟装置。拟装置。 v 上述地面模拟装置所获得的微重力环境和空间获得上述

14、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，而且微重力水的微重力条件不能保持长时间稳定，而且微重力水 平只有平只有10-1g左右，这仅能抵消地球重力的部分影响，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 积也不大积也不大。 v6、中性浮力微重力模拟试验技术中性浮力微重力模拟试验技术 v中性浮力试验是失重环境的效应模拟试验，它是将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

15、中精确地调整漂浮器的浮力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，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可获得与空间十分相似的6个自由度运动，可以做个自由度运动，可以做 全尺寸模型试验，试验时间能任意延长。全尺寸模型试验，试验时间能任意延长。 v作航天员适应性训练和作航天员适应性训练和 舱外活动的空间操作能舱外活动的空间操作能 力训练，如出舱维修、力训练，如出舱维修、 大型空间站构件组装，大型空间站构件组装， 以及在轨操作程

16、序的检以及在轨操作程序的检 验，包括空间机器人和验，包括空间机器人和 空间机械臂的操作程序空间机械臂的操作程序 的检验。的检验。 v马歇尔航天飞行中马歇尔航天飞行中 心的中性浮力模拟心的中性浮力模拟 器器 水槽直径水槽直径22.88m，深度，深度12.2m，能容纳，能容纳500m3 的水。水槽可以同时容纳的水。水槽可以同时容纳4名航天员同时训练，名航天员同时训练， 舱外活动单元可以同时为舱外活动单元可以同时为4个对象服务。水槽可个对象服务。水槽可 以连续进行以连续进行6个小时试验个小时试验 v航天员在中性浮力设备航天员在中性浮力设备 中模拟出舱维修航天器中模拟出舱维修航天器 训练训练 美航天员

17、在修美航天员在修 理天空实验室理天空实验室 v具体开展的研究项目有：具体开展的研究项目有： v着装航天员舱内活动时的行动和操作训练；着装航天员舱内活动时的行动和操作训练； v航天员在座舱内输送装备和货物的模拟试验；航天员在座舱内输送装备和货物的模拟试验； v航天员在舱外活动的适应性训练；航天员在舱外活动的适应性训练； v航天员进出座舱的模拟试验；航天员进出座舱的模拟试验； v航天器对接操作的模拟试验；航天器对接操作的模拟试验； v大型结构组装的模拟试验；大型结构组装的模拟试验； v航天器维修程序的鉴定试验；航天器维修程序的鉴定试验； v轻质可展结构的设计、评价与性能试验；轻质可展结构的设计、评

18、价与性能试验； v评价、检验飞行硬件；评价、检验飞行硬件； v机器人的功能评价试验；机器人的功能评价试验； v空间定向运动的研究；空间定向运动的研究； v微重力下人体测量、工效学的研究以及与航天员活微重力下人体测量、工效学的研究以及与航天员活 动有关的工具、装备的研究；动有关的工具、装备的研究； v生命保障系统操作程序的研究与训练；生命保障系统操作程序的研究与训练； v人人机环控系统的综合试验；机环控系统的综合试验； v特殊情况下急救程序的制定和训练；特殊情况下急救程序的制定和训练； v新的训练和工作程序的试验和评价；新的训练和工作程序的试验和评价； v飞行前整个飞行程序的综合性试验等。飞行前

19、整个飞行程序的综合性试验等。 v（3）中性浮力试验方法的优缺点）中性浮力试验方法的优缺点 v a. 主要优点主要优点 v 模拟微重力时间（作业）不受限制，可以任意模拟微重力时间（作业）不受限制，可以任意 延长。延长。 v 试验对象在没有任何约束、具有试验对象在没有任何约束、具有6个自由度的个自由度的 条件下进行试验，这与空间条件十分相似。条件下进行试验，这与空间条件十分相似。 v 允许用原尺寸飞行型结构允许用原尺寸飞行型结构 的整机和部件做试的整机和部件做试 验，保证了模拟试验的真实性。验，保证了模拟试验的真实性。 v 浮力不改变重心的位置。浮力不改变重心的位置。 v b. 主要缺点主要缺点

20、v 在水中运动的物体受阻力影响，阻力又是速度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。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。在有阻尼的水中比没有阻尼的太空做功更易疲劳。 v 为了获得中性浮力条件需增加压铅块，这样使为了获得中性浮力条件需增加压铅块，这样使 着装增加着装增加30%40%的质量。的质量。 v 试验员的着装几何形状影响了姿态的稳定性。试验员的着装几何形状影响了姿态的稳定性。 v 服装加压系统对人体新陈

21、代谢有影响。服装加压系统对人体新陈代谢有影响。 v7、飞机抛物线飞行模拟微重力环境、飞机抛物线飞行模拟微重力环境 v从从20世纪世纪50年代起开始把喷气式教练机或运输机改年代起开始把喷气式教练机或运输机改 装为失重飞机。我国在装为失重飞机。我国在70年代把一架小型教练机改年代把一架小型教练机改 装为失重飞机。装为失重飞机。 v俄罗斯、美国、法国、加拿大、比利时、荷兰和日俄罗斯、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的失重飞机主要是俄罗斯的“伊尔（伊尔（IL 76MDK）”、美国的、

22、美国的“KC135A”、法国的、法国的“快快 帆号（帆号（caraceLLe）”和和“空中客车空中客车”以及日本的以及日本的 “MU300”。 v 现在的失重飞机，在作抛物线飞行时可以产生几十现在的失重飞机，在作抛物线飞行时可以产生几十 秒的秒的10-2g10-3g的微重力时间，而且的微重力时间，而且1次起落可以次起落可以 飞出飞出40条抛物线，这样累积起来的微重力时间达十条抛物线，这样累积起来的微重力时间达十 几分钟，几分钟， v 欧洲空间局从欧洲空间局从1984年以来年以来10年时间里，先后使用年时间里，先后使用 “快帆号快帆号”、“KC135”和和“IL76”型型3种失重飞种失重飞 机，

23、进行了机，进行了20个场次的抛物线飞行实验活动，总共个场次的抛物线飞行实验活动，总共 飞出了飞出了1700条抛物线，若以每条抛物线持续时间条抛物线，若以每条抛物线持续时间 20s计算，合起来有计算，合起来有3.4210 4 s（9.5h）微重力飞）微重力飞 行时间，相当于在低地球轨道上运行行时间，相当于在低地球轨道上运行6圈。实验数圈。实验数 量达量达235项，其中流体物理实验为项，其中流体物理实验为76项，主要是为项，主要是为 空间实验室空间实验室“SL-D1”号作航天飞行前准备工作，人号作航天飞行前准备工作，人 体生理实验为体生理实验为70次，为载人航天收集完整的医学数次，为载人航天收集完

24、整的医学数 据。据。 v8、其他模拟微重力条件的试验技术其他模拟微重力条件的试验技术 v （1）无摩擦力模拟台试验技术）无摩擦力模拟台试验技术 v 无摩擦力模拟台属机械式零重力模拟装置，其特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。消除了摩擦力。 v（2）悬索式微重力摸拟试验技术）悬索式微重力摸拟试验技术 其基本结构由高架其基本结构由高架 的单轨、活动辘车、的单轨、活动辘车、 回转吊钩、悬索等回转吊钩、悬索等 组成。组成。 4.3 微重力模拟实例微重力模拟实例 v太阳电池阵微重环境下展开试验技术太阳电池阵微重环境下展开试验