第四章微重力要点课件.ppt

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” 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：地球半径：6371Kmv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 如如30m落管，落管，2.5s； l00m落管，落管， 4.5sv2、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1.62.5cm。

微重力时间可达微重力时间可达510s当下落132m时时可获可获10-5g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，微重的气球实验，微重力时间为力时间为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510min ，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 v美美国国早早在在70年年代代初初就就开开始始了了空空间间材材料料加加工工研研究究，利利用用黑黑雁雁VC和和奈奈克克-黑黑雁雁VC探探空空火火箭箭进进行行实实验验，截截至至1981年年进进行行了了9次次火火箭箭发发射射实实验验，完完成成了了49项项材材料料实实验验，其其中中包包括括加加工工装装置置、自自动动操操作作原原理理验验证证。

该该实实验验装装置置重重50190kg，火火箭箭飞飞行行高高度度255km, 每每次次飞飞行行提提供供的的微微重重力力持持续续时时间间为为57min，微微重重力力水水平平为为10-4g以下v 苏苏联联从从1976年年开开始始用用和和平平2号号高高空空探探测测火火箭箭进进行行空空间间材材料料制制造造实实验验至至1979年年，利利用用火火箭箭进进行行了了涉涉及及合合金金凝凝固固、制制备备新新型型复复合合材材料料等等领领域域约约70项项技技术术实实验验火火箭箭飞飞行行高高度度达达500km,微微重重力力持持续续时时间间为为1015min,微微重重力力水平为水平为10-4g以下v联联邦邦德德国国和和瑞瑞典典合合作作，利利用用TEXUS探探空空火火箭箭，进进行行微微重重力力技技术术实实验验计计划划，并并于于1977年年开开始始用用美美国国的的云云雀雀7探探空空火火箭箭进进行行了了空空间间材材料料实实验验，到到1983年年进进行行了了9次次火火箭箭发发射射，取取得得了了晶晶体体生生长长、新新型型合合金金和和无无容容器器接接触触加加工工等等方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日日本本于于1980年年9月月开开始始用用TT500A火火箭箭进进行行材材料料实实验验，截截止止1983年年已已发发射射了了6次次火火箭箭。

TT-500A火火箭箭的的飞飞行行高高度度达达300km，能能携携带带330kg有有效效载载荷荷，提提供供微微重重力力持持续续时时间间达达6min，微微重重力力水水平平10-4g以以下下，成成功功地地制制造造出弥散镍合金及化合物半导体晶体出弥散镍合金及化合物半导体晶体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v 上上述述地地面面模模拟拟装装置置所所获获得得的的微微重重力力环环境境和和空空间间获获得得的的微微重重力力环环境境只只是是一一种种近近似似的的情情况况这这些些装装置置获获得得的的微微重重力力条条件件不不能能保保持持长长时时间间稳稳定定，而而且且微微重重力力水水平平只只有有10-1g左左右右，这这仅仅能能抵抵消消地地球球重重力力的的部部分分影影响响，不不可可能能消消除除惯惯性性力力和和粘粘着着力力的的作作用用，同同时时悬悬浮浮品品体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作作航航天天员员适适应应性性训训练练和和舱舱外外活活动动的的空空间间操操作作能能力力训训练练，如如出出舱舱维维修修、大大型型空空间间站站构构件件组组装装，以以及及在在轨轨操操作作程程序序的的检检验验，包包括括空空间间机机器器人人和和空空间间机机械械臂臂的的操操作作程程序序的检验v马马歇歇尔尔航航天天飞飞行行中中心心的的中中性性浮浮力力模模拟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。