太空探索－指定教材

第九章 太空资源的科学与商业应用

9.4  航天器的微重力环境资源

9.4.1 微重力环境产生的方法

引力是宇宙中普遍存在的四种基本形式的力之一(另三种形式的力分别是强相互作用力、弱相互作用力和电磁力)。我们常说的重力，是指地球对物体的引力。当物体在地球表面或地球周围的空间运动时，其质量是不变的(不考虑相对论效应)，但重力却随着位置的变化而变化。特别是物体离开地球表面向上运动时，距离地球表面越远，重力越小，因为引力与物体到地心的距离成反比。尽管如此，仅靠引力的变化获得微重力条件是不容易的。例如，航天飞机和空间站的轨道高度一般在200～450 km之间，在这个高度范围内，物体重力大约是在地球表面时的90%。如果要获得地球表面百万分之一的微重力，物体应离开地球6.37×106 km，这个距离几乎是月球到地球距离的17倍。

从效应的角度看，微重力是指重力效应大大减小的一种状态。从表观的角度看，微重力环境是系统的视在重力小于引力所产生的实际重力的一种状态。

获得微重力条件一般有四种方法：

第一种是落塔(或落井)。在高塔的顶端将实验设备自由下落，并采取措施，尽量减少空气阻力，使落体的加速度接近于g。目前，美国、日本和中国都已建立了专门的落塔。美国NASA刘易斯研究中心建立了24 m高的落塔和132 m深的落井，可分别获得2.2 s和5.2 s的减小重力的环境。目前，在地面最长降落时间的设备是日本490 m深的矿井，落体的降落时间约10 s。

第二种方法是飞机作抛物线飞行。飞机以45°角快速爬高(拉起相)，到最高点后以45°角缓慢下降(拉出相)，这样飞机的轨迹就构成了抛物线。当飞机沿抛物线飞行时，可产生大约15 s的微重力环境。如图9-11所示，在拉起相和拉出相，机组经历了大约2g的加速度。在做抛物线运动期间，净的加速度约为-1.5×10-2 g，持续时间约为15 s。飞机每次出动可完成约40次抛物线轨迹飞行。

第三种方法是用探测火箭产生减小的重力条件。如图9-12所示，在火箭熄火后，负载与箭体分离，在滑行期间为抛物线轨道。从负载分离到进入大气层之前，可获得几分钟时间的微重力环境，通常加速度约为10-5 g。

上述方法产生微重力环境的时间都很短，不适合进行长时间的科学研究。为了获得较长时间的微重力环境，需要用返回式卫星、航天飞机和空间站。

轨道航天器获得微重力环境的原理与自由落体类似。在航天器绕地球做轨道运动期间，地球对航天器的引力就是使航天器做轨道运动所需的向心力。这样，返回式卫星获得微重力环境的时间一般为几天，航天飞机可达十几天，而空间站则是半永久式的。

从理论上来说，围绕地球进行轨道飞行的航天器，由于惯性离心力与地球的引力平衡，因此可产生无重力环境。但实际上，由于残余大气阻力、变轨机动或姿态调整时产生的推力以及航天器绕质心的转动等影响，使得航天器不可能处于无重力状态。但这些力的数量级都很小，航天器内可造成微重力环境。

9.4.2 航天器微重力环境资源的利用

在微重力环境下，出现许多不同于重力环境下的基本物理学现象，如流体中的自然对流基本消除，浮力和液体密度消失等。利用这些现象可以进行晶体生长、合金凝固、生物分离、三维组织培养等研究，以加深对材料科学、生物科学和流体科学相关规律的认识和理解。从这个意义上来说，微重力环境是一种特殊的资源。

作为空间材料制备基础的微重力条件下的流体和材料研究，迄今还是一项远非普及的活动。与大规模、系统的地面材料研究历史相比，受费用及时机的限制，空间微重力实验总共仅有数千小时。目前要评价在轨道上进行材料制备的实际价值尚为时过早，但从主要空间实验大国对空间微重力研究产业化的认识和措施，可以加深对这一问题的认识。

前苏联从1976年到1982年间大约进行了140次火箭微重力实验。在礼炮-5、礼炮-6和礼炮-7轨道站上进行了200多项重要的空间材料制备实验，估计加工了1000多个样品。一半以上的项目是有关电子材料的，特别是元素半导体以及化合物半导体。其他实验包括制备磁性材料、超导合金、复合材料和玻璃等新型材料。

美国的空间材料制备始于20世纪60年代末。阿波罗飞船从月球返回地球期间进行了先驱性实验，接着是天空实验室计划(1973～1974年)。目前NASA的微重力计划研究集中于金属和合金、玻璃和陶瓷、电子材料、燃烧科学、流体力学和生物工程等材料及学科。总的来看，目前，NASA没有急于直接从空间材料制备上获取巨额商业利益，而更注重空间材料制备的未来前景。

基于空间实验机会难得且成本高昂，目前优先选择的材料实验项目有： 制作传输高速数据的光导纤维用的硫化物玻璃、熔体晶体生长、齐相晶体生长、无机材料的溶液晶体生长和蛋白质单晶生长。

微重力环境提供了独特的实验室，科学家可以利用它研究三种基本的物质形态： 固态、液态和气态。微重力条件允许科学家观察和探索被地球引力效应掩盖的现象和过程。微重力科学目前包括生物技术、燃烧科学、流体物理学、基础物理学和材料科学等学科。

生物技术是一门应用生物科学，它包括研究、处理及制造生物分子、细胞组织和有机物，这些对人类健康、农业和环境保护起重要作用。美国NASA的微重力生物技术研究计划目前集中在三个基本领域： 蛋白质晶体生长、哺乳动物细胞及细胞组织培养、基本生物技术。

微重力燃烧科学研究在微重力条件下火焰的点燃、扩展和熄灭。燃烧是快速、自维持的、可释放相当大的热量的化学作用。燃烧是现代社会许多关键技术的关键环节。电能的产生、卫星与飞机的推进以及材料处理，都要通过燃烧将化学能转换成热能或推动力。虽然燃烧对我们当前的生活方式是必须的(占世界可利用能源的85%)，但它对环境也带来巨大的挑战。加强对燃烧的理解有助于人类更好地处理污染、大气变化、全球变暖、不希望的爆炸以及灾害性浪费的焚化等问题。尽管人类对燃烧已经进行了一个多世纪的科学研究，但目前对许多基本的燃烧过程仍缺乏了解。在空间没有重力的条件下，进行更多控制下的实验，可检验复杂的燃烧过程，改进对重力影响的基本燃烧现象的了解，并利用这些成果促进地球上燃烧科学和技术的发展，确保在空间的安全。

流体是在外力作用下可以流动的物质。液体和气体是流体，在某些情况下固体也可呈现出类似流体的特性。颗粒状物质(例如土壤)在地震和洪水作用下也可产生具有流动特征的移动。流体物理学研究的目的是更好地了解支配流体的物理原理，包括流体在加热和电影响下的流动；在流体中悬浮的粒子和气体泡怎样与流体的变化和性质相互作用；流体怎样与固体边界相互作用；流体怎样相变，从液体到固体或从一种流体相到另一种相。微重力流体物理学是利用微重力环境来增加对流体特性的了解。了解土壤在压力下的类似流体特性的知识，有助于工程师在地震多发带设计出安全的大楼；材料工程师可以更好地理解固体金属形成期间的流体特性所决定的结构和性质，蒸汽-液体混合物流动特性的知识对设计稳定和高性能的电站是非常有用的。

基础物理学是研究各种尺度(从微观到宇宙)下支配物理世界性质的基本定律的学科。在微重力环境下基础物理学的研究可以得到完全新的或者改进的结果。 目前，微重力基础物理学研究主要集中在极低温下的物质物理学，特别强调研究液氦。科学家观测到在这些极低温(有时接近于绝对零度)条件下，某些物质，例如氦，将经历不寻常的相变到特殊状态，这种状态不能简单地分为气体、液体或固体。这些状态包括超流性，流体流动没有摩擦力，并有很高的热导率和超导性。微重力基础物理学另一个研究领域是激光致冷和原子物理学。这个领域是研究孤立原子的结构以及它们与外激励源，如其他原子、表面、电磁场、温度、压力和光的相互作用。激光致冷技术提供了新的研究方法，在这种方法中，原子用光轰击以使它们的运动变慢，允许科学家长时间地观测它们。微重力环境将通过消除引力外激励源(它影响原子的运动)改进这个技术。材料科学研究材料的形成、结构和性质。微重力材料科学利用微重力环境的特征，研究材料凝固和晶体生长的基本问题，特别是研究浮力驱动的对流、沉积，静压力在电子与光电材料、金属、合金、复合材料、玻璃、陶瓷以及聚合物形成时的作用。

空间材料的加工可能是极有前途的空间应用。空间材料加工的应用前景取决于空间材料科学的研究，也就是取决于微重力科学中基本规律研究的突破。

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