微重力流体管理在航天工程中的应用

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1、ReviewArticleChinesejournalofNatureVol.29No,6微重力流体管理在航天工程中的应用康琦①侯瑞②①研究员，②博士生，中国科学院力学研究所国家微重力实验室，北京100080关键词空间探索微重力流体管理工程应用本文详细解释了微重力以及微重力流体管理的概念，阐明了微重力流体管理在推进系统、热控制系统、环境控制与生命保障系统、电源系统中的工程应用，指出了微重力流体管理面临的新挑战。1人类航天活动与微重力环境航天工程是庞大、复杂的系统工程，涉及到了诸多学科知识和工程技术领域。本文所主要阐述的微

2、重力流体管理来源于航天工程需求，是航天工程关键的工程技术之一，在航天器多个分系统中有广泛应用。人类的航天活动主要包括了三大领域[1]:卫星应用、载人航天和深空探测。为了满足航天飞行目的，人们设计制造了通信卫星、气象卫星、载人飞船、航天飞机、火星探测器等各式各样的空间飞行器，这些飞行器都不可避免地¥面对一种与在地球上截然不同的受力环境一微重力环境。微重力代表一种受力环境即在该环境中的有效重力水平极低[2]。按照英文Microgravity的原意，微重力应该指该环境中的同一物体的重力水平为地面重力的1(T6倍。目前许多广义的

3、理解也把微重力理解为微小重力，有时也有低重力之称。但是，微重i不等于重力水平严格为零。微重力通常有以下3种典型的表现形式：①在一个小星球引力场的环境中，物体静止或低速运动，例如月球、火星表面是一种低重力环境，其重力水平约分别是地球重力水平的1/6和1/3;②在地球（或星球）引力场的环境中，物体仅在在重力方向运动，运动加速度接近重力加速度，例如在地球重力场中，自由落体舱内；③在地球（或星球）引力场的环境中，物体绕地球(或星球)做圆周运动，物体在垂直重力方向作近似匀速运动，例如人造地球卫星内部。也有这三种运动的组合形式。在以

4、上三种情况下，其共同的特点是如果用一个实际的弹簧测力计称量物体的重量时，其显示的数值(表观重力）小于该物体静止在地球表面时直接称量的数值。根据牛顿第二定律，G弓丨-F*=ma，其中G3丨是物体受到的重力（或引力），F*是弹簧测力的拉力，m是•328.物体的质量，a是物体运动的加速度。因此表观重力F*=G3l_ma。从物理学的理论来讲，第一种情况形成微重力的原因是由于万有引力的直接降低（即a近似为零，而G5I有极大的减小）；第二和第三种情况形成微重力的主要原因是由于物体在引力方向以引力加速度运动（即a近似等于G引/m;在地

5、面G5I=mgo，go就是我们常说的地球重力加速度，它的数值等于9.8m/s2)。例如在地球上空1000km高的轨道上飞行的卫星，其受到的地球引力仍有地面引力的3/4,引力的减小远没有使卫星达到微重力状态；然而，卫星圆周轨道运动的向心加速度方向就在引力方向，向心加速度的大小近似等于引力加速度，这使卫星环境中微重力水平可以达到itr3g。以上。在物理学中，“-ma”被称为“惯性力”。物体做圆周运动时，该惯性力被称为“惯性离心力”。因此，若重力G5I与该环境运动加速度a引起的“惯性力”或“惯性力离心力（-ma)”相抵消，而达

6、到表观重力（弹簧秤的示数)减小，物体就处于微重力状态。一旦环境的加速度发生变化，则微重力水平也将发生变化。当人们把空间飞行器发射到地球近地空间，并绕地球作周期运动时，飞行器中的“失重”环境就是这种情况。事实上，由于各种次级力的作用，绝对的“失重”环境是很难获得的。这里我们应该清楚了，“失重”是指物体失去重量，而不是失去重力。重量是物体对其周围相接触的物体或介质所表现出来的作用力；重力则是地球（或其他天体)对物体的引力。重量与重力（引力）有联系，又有区别。重量消失，不等于重力或引力消失。判断物体是否“失重”（即是否处于微重

7、力状态）一个最重要的标志是，物体内部各部分、各质点之间没有相互作用力，即没有拉、压、剪切等任何应力。平衡是我们最常见的物体的一种运动状态。但是，力的平衡与“失重”完全是两回事。例如，人站在地上，躺在床上，乘坐飞机等速飞行等，都是处于力的平衡状态，但并不“失万方数据自然杂志29卷6期专题综述重”。因为在这些情况下，人体内部各部分之间都存在相互的作用力。航天员在地面浸沉在水池中做“模拟失重”试验。这种水下试验，其实并不能真正模拟失重。因为人在水中，是重力与浮力作用而保持平衡。只是平时人们所受到的支撑力只作用在人体很小的表面，

8、例如，站立时，脚底受力；躺着时，半个身体表面受力；沉浸在水中时，整个身体表面都受力，但是头、躯干、四肢以及身体的内脏、器官等都是有重量的，它们相互之间存在挤压或拉牵等作用力。真正的失重模拟，应使人体各部分特别是体内器官重量消失。在这种情况下，人的前庭器官中的耳石由于失重,不再与周围的神经细胞接触向中枢神经传输信号，从