太空环境与空间应用

太空环境与空间应用

3.利用探测器的重量（有时称为重量损失），制造具有理想球形的滚珠，并将不同密度的统一颗粒精炼并生长大体积的均匀颗粒。结构完整，没有杂质，生长着完整的独特单元，如蝉翼金属膜和细如头发的金属丝。提取高纯度生物药物，打开空间材料加工和空间科学知识等新的空间应用和科学领域。我国返回式卫星多次搭载空间材料加工和空间生命科学试验获得圆满成功,特别是其中的太空育种试验,硕果累累。卫星搭载过的多种谷物、蔬菜等植物种子,返回地面后经过培育、变异、选优,其后代果实产量增加,营养成份提高,抗病能力增强。人们往往把这些空间应用与科学试验的成功归功于微重力的作用,因而使“微重力”一词广为传播。人们也许不知道太空中有高远位置、高真空、强辐射、超低温等环境资源,但对微重力却并不陌生。然而,关于微重力的解释和宣传似存在着某些科学上的误区,需要加以澄清,以免以讹传讹。1重力大小的统计描述根据《中国大百科全书·力学卷》关于重力的定义,重力是物体受到的行星或其他天体的引力,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体产生的加速度大小来表示,地球表面的重力加速度g0=9.8m/s2,已熟为人知,所以,其他地方、其他天体的重力或重力加速度常常用地面重力加速度g0来表示,即以g0作单位。某一点处重力大小是与该点到引力中心(以地球为例,则为地心)距离的平方成反比,离地心越远,重力越小。例如在离地面200～1000km高度范围内,重力是地面的94%～75%,即重力加速度为0.94g0～0.75g0;即使在10000km高空,重力还是为地面重力的15%,即0.15g0。根据引力摄动理论,地球引力的作用范围是以地心为中心、半径为92万km的球形区域,只有远离地球几十万km处重力才会变得微小(10-3g0以下)。通常所说的航天器中的“微重力”显然不是这种由天体产生的微小重力,而是一种环境诱发的“视重力、表观重力”(apparentgravity),或者可称其为“伪重力”(psuedogravity)。2航天器中的重力环境有关介绍航天科技的文章常说,太空是一个高真空、强辐射、超低温和微重力的环境。前三点——高真空、强辐射、超低温确实是太空环境的特点。因为,在太空中(距地面200km以上)大气压力已低于5×10-5Pa;太空中有来自太阳的X射线、紫外线等短波电磁辐射、粒子辐射和来自银河系的γ射线和宇宙粒子辐射;太空的环境温度在-200℃以下,以至-269℃(4K)。至于太空中的重力环境,在离地球10万km之内,重力只是有所减少,充其量只能算是“低重力”。航天器中的微重力环境并不是太空的自然环境,而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。所以,在任何一本空间环境手册中是查不到微重力的数据的。失重(零重力)本质上也是诱发环境前所述,只要有天体存在,就有重力存在空中重力并不为零。由于重力是一种“体”,当航天器仅在重力作用下自由飞行时,天器及其内部的一切物体,都以相同的速、加速度运动,相互之间没有作用力,所物体都表现不出有重量,这就是“失重”航天器在运行中,实际上常会受到非引力(非体力)的作用或干扰,其结果使航天器及其内部的物体获得额外的加速度。这时,物体与物体之间,物体与航天器之间就产生相互作用力,表现出“重量”,物理学上称这种重量为“表观重量”,因而衍生出“表观重力”。这个“表观重力”或“伪重力”通常是很微小的,人们就简称它为“微重力”(microgravity),其实它与天体产生的重力完全是两回事。3微重力的作用有重力和零重力是矛盾的两个对立面。们在航天器中进行空间材料加工,空间生科学和流体力学等试验研究,利用的是航器中产生的零重力(失重)环境。正是失重这一诱发环境提供了轻重不分、上下无别、沉浮不现和对流消失等物理条件,才能实现无容器冶炼,悬浮生长,不同密度流体的均匀混合以及用电泳法高效制取高纯度生物药品,而非引力产生的微重力恰恰破坏了零重力环境,破坏了无轻重、无上下、无沉浮和无对流的理想条件,构成对空间材料加工、空间生命科学等试验研究的有害干扰,降低了试验研究的效率、纯度、精度或可信度。因此,通常所说:“利用微重力条件进行有关的空间材料加工和生命科学等试验”,是功过颠倒,利害不分。为这些空间应用与空间科学等试验研究作出贡献的是失重而不是微重力。4航天器的微重力微重力产生的根源主要有:(1)残余的大气阻力;(2)航天器变轨机动或姿态调整时产生的推力;(3)航天器绕质心的转动;(4)载人航天器中航天员的走动;(5)重力梯度。第(1)、(5)两类属于长期持续存在的微重力;第(2)、(3)、(4)三类是瞬时的或短暂作用的微重力。4.1表观重量k残余大气阻力主要作用在低地轨道航天器上。大气阻力产生的微重力(gμ)的大小为:例如,轨道高度300km,航天器的质量m为2000kg,平均横截面积A为10m2,从《空间环境手册》中可查出300km处的大气密度d,算出环绕速度V,阻力系数CD取2,即可算出:g＿≈2.5×10-4g0若该航天器中有一质量为10kg的设备,则其表观重量为25mN。如果航天器带有精密的弹簧秤,则可以称出该设备的表观重量,除以质量,即可得到微重力的实测值。4.2推力器推力t设航天器质量为m,姿控反作用推力器的推力为T,则推力器工作时,产生的微重力例如,航天器质量为2000kg,推力器推力为10N,则产生的微重力为5×10-4g0。4.3距质心r处的离心微重力设航天器绕质心转动的角速度为k,航天器中在垂直角速度向量的平面内,距质心r处产生的离心微重力为:g＿=k2r例如,航天器转速为1r/min,在垂直于转动轴距质心为1m处的离心微重力约为1×10-3g0。4.4重推力的产生设载人航天器的质量为m;航天员为了从一个地点“飞”到另一个地点,用手或脚推航天器舱壁以产生反作用力。设推力为P,则产生的微重力:例如,载人航天器是质量为7000kg的飞船,航天员的推力为10N,则产生的微重力约为1.4×10-4g0。若载人航天器是空间站,其质量为数十吨甚至上百吨,则同样一名航天员走动产生的微重力将<10-5g0。4.5航天器的微重力a.低轨道航天器设轨道高度HR(地球半径),航天器中某点到地面的高度与质心到地面的高度之差为d,则该点处因重力梯度产生的微重力:以直径4m,长度20m的空间站为例,当空间站的纵轴平行地面时,它的顶面和底面处,重力梯度产生的微重力最大,约为6×10-7g0;当空间站纵轴垂直地面时,则最大重力梯度微重力约为3×10-6g0。由计算可见,一般大小的航天器中,因重力梯度产生的微重力很小,可以忽略不计;只有当航天器的尺寸达到百米以至千米级时,才值得考虑b.高轨道航天器设航天器质心到地心的距离是地球半R的n倍(n>2),航天器中与质心高度为d处,重力梯度产生的微重力为:例如,在地球静止轨道上,n=6.62,可得这是由于地球静止轨道上,重力的绝对值减小,重力梯度也相应减小。与近地轨道相比,航天器中同样的高度差下,重力梯度微重力还要小约300倍,所以完全可以忽略不计。最后要指出的是,微重力是向量。上述5种微重力各有不同的方向。若有2种以上的微重力同时存在时,它们的合成微重力大小应按向量叠加。5航天器重、轻和重力波动引起微重力的影响及对策为了提高空间材料加工、生命科学、流体力学及太空育种等试验研究的效果和精确性,应尽可能保持试验所必需的理想失重条件,减少微重力干扰。应采取如下对策:(1)航天器运行轨道高度不能太低,以减小残余大气阻力产生的微重力;(2)