第四章微重力要点

4、火箭实验 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5～ 10min ，微重力水平小于10-4g 。用它足以 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， 能对各类新装置、新系统进行方案性论证试 验。


美国早在 70年代初就开始了空间材料加工研 究，利用黑雁 VC 和奈克 - 黑雁VC 探空火箭进 行实验，截至 1981 年进行了 9 次火箭发射实 验，完成了 49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 50～ 190kg，火箭飞行高度255km, 每次飞行提供 的微重力持续时间为 5 ～ 7min ，微重力水平 为10-4g以下。

Gme F ma m 2 0 R v 2 Gme 2 0 R R Gme v 7.89km / s R
练习
轨道高度
1 2 3 4 300Km 1000Km 10000Km
地球同步卫星 23h56m4s
飞行速度
运行周期
地球半径：6371Km

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 10-3～10-6g，这种环境称为微重力环境。
第四章 微重力环境及其模拟技术


4.1 微重力环境
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ƒ的大小为:
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。 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”。

日本于1980年9月开始用 TT—500A火箭进行 材料实验，截止 1983 年已发射了 6 次火箭。 TT-500A 火箭的飞行高度达 300km ，能携带 330kg 有 效 载 荷 ， 提 供 微 重 力 持 续 时 间 达 6min，微重力水平10-4g以下，成功地制造出 弥散镍合金及化合物半导体晶体。
模拟方法：数学模拟和物理模拟
物理模拟


1、落管
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10-4Pa。微重 力水平一般在10-3～10-6 g ，微重时间约4.5s左右， 试验样品较小。 美国马歇尔空间飞行中心建有30m、100m落管。 如30m落管，2.5s； l00m落管， 4.5s
4.2 微重力环境模拟技术
在地面模拟微重力环境是进行空间材料加工必 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 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 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。
5、地面模拟用的悬浮装置 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 微重力环境中材料加工过程和物理现象。这 类悬浮装置有CO2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 悬浮装置等。中国已研制成功电磁微重力模 拟装置。


上述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 的微重力条件不能保持长时间稳定，而且微重力水 平只有10-1g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
g spacecraft
v Gme 2 R R
2

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。

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 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 出“重力”，一般情况下，这种“表观重力”很微 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 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。



2、落塔
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 心的145m带真空落箱的落塔，是用0.45～0.6m厚 的钢筋混凝土围成的降落井，井高155m，直径 8.7m。真空落箱高11m，直径6.1m，箱壁厚1.6～ 2.5cm。微重力时间可达5～10s。当下落132m时 可获10-5g加速度。

苏联从 1976 年开始用和平 2 号高空探测火箭 进行空间材料制造实验。至1979年，利用火 箭进行了涉及合金凝固、制备新型复合材料 等领域约 70 项技术实验。火箭飞行高度达 500km,微重力持续时间为10～15min,微重力 水平为10-4g以下。
Leabharlann Baidu
联邦德国和瑞典合作，利用TEXUS探空火箭， 进行微重力技术实验计划，并于1977年开始 用美国的云雀—7探空火箭进行了空间材料实 验，到 1983 年进行了 9 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 面的一系列实验数据与经验。


3、高空气球
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 开降落伞回收。 法国空间中心进行过高度为35km的气球实验，微 重力时间为15s，微重力水平为10-3g 。 日本的气球实验高度为29km，微重力时间为20s， 微重力水平为10-3g。在高空气球上进行了微重力物 理与材料实验。

美国还建有数个落塔，塔高分别为75m、130m和 170m。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 研究。


法国的落塔，塔高40余米，已进行了1000多次实验。
德国建有314m地下落塔，用于材料生产实验。 日本利用高层建筑开展了金属结晶实验。 中国建有高50m的落塔，进行液体动力学研究。