[科普中國(guó)]-微重力模擬

簡(jiǎn)介

地面微重力模擬是隨著航天技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新研究領(lǐng)域，很快便成為美國(guó)、日本、加拿大等空間大國(guó)相繼關(guān)注的重要技術(shù)之一，相比于數(shù)字仿真和理論評(píng)估，通過微重力模擬所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性更強(qiáng)，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)1。

不同于其他物理作用，重力是萬有引力的分量，其產(chǎn)生無需接觸，也無法通過現(xiàn)有的科學(xué)方法消除或隔斷。由于萬有引力幾乎全部用來提供向心力，物體在太空中處于微重力環(huán)境，微重力一般為g×10的負(fù)4次方量級(jí)，在地面上建立模擬系統(tǒng)，模擬太空的微重力環(huán)境一般采用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。

背景空間微重力環(huán)境對(duì)生命體生理穩(wěn)態(tài)的影響規(guī)律及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)是載人航天活動(dòng)必需解決的一個(gè)核心科學(xué)問題. 微重力下浮力趨于消失、表面效應(yīng)凸顯, 不同密度和質(zhì)量的物體因失重而難以沉降, 從而顯著影響生命體的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程, 導(dǎo)致其生命活動(dòng)和生理行為發(fā)生顯著改變. 由于重力的作用與所研究對(duì)象尺度的三次方成正比, 加之生命體多層次、多尺度耦合作用的復(fù)雜性, 因此, 選擇生命體的基本單元——細(xì)胞——作為地基研究的突破口, 來解決這一載人航天活動(dòng)的核心科學(xué)問題, 是合理、有效的選擇2。

模擬方式從原理上可以劃分為二種形式：

（1）運(yùn)動(dòng)法模擬微重力

運(yùn)動(dòng)法使物體按照特定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，讓物體所受的重力幾乎全部用來抵消慣性力或離心力，即重力全部用來提供物體運(yùn)動(dòng)所需加速度，以此消除重力影響，實(shí)現(xiàn)微重力模擬，運(yùn)動(dòng)法模擬微重力包括落塔法、拋物飛行法和探空火箭法等方式。

（2）力平衡法模擬微重力

力平衡法主要通過平衡力抵消重力影響，如利用氣足支撐、中性液體浮力、吊絲配重、靜平衡機(jī)構(gòu)等方式抵消重力，模擬微重力環(huán)境，具體方法包括氣浮法、水浮法、懸吊法、靜平衡機(jī)構(gòu)法、電磁平衡法等。

常用微重力模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn)（1）落塔法：微重力模擬精度高，可重復(fù)利用、安全可靠，且可進(jìn)行三維空間的微重力實(shí)驗(yàn)。缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，被試設(shè)備尺寸受限制，微重力模擬時(shí)間過短，使得其應(yīng)用受到很大限制。

（2）拋物飛行法：微重力模擬精度較高，可重復(fù)利用，也可進(jìn)行三維空間的微重力模擬。缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴，被試設(shè)備外形尺寸、重量受限制，飛行的安全性需考慮，微重力模擬時(shí)間短。

（3）水浮法：可實(shí)現(xiàn)三維微重力模擬，模擬時(shí)間不受限制。缺點(diǎn)是水的阻力和紊流會(huì)影響被試設(shè)備的動(dòng)力學(xué)特性，影響空間環(huán)境模擬精度，被試設(shè)備必須進(jìn)行專門防水處理，維護(hù)成本高，試驗(yàn)期間的密封性要求高。

（4）氣浮法：微重力模擬精度高，建造周期短、成本低，易于維護(hù)，模擬時(shí)間不受限制，通過更換接口部件即可重復(fù)利用，可靠性高，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。缺點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)豎直方向微重力模擬。

（5）懸吊法：可進(jìn)行三維微重力模擬，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，模擬時(shí)間不受限制，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是微重力模擬精度不高，支撐繩索的桁架機(jī)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，繩索運(yùn)動(dòng)時(shí)所受摩擦力大，嚴(yán)重影響試驗(yàn)精度，主動(dòng)式懸吊法易產(chǎn)生干涉，此外，繩索的柔性、抖動(dòng)以及配重塊的慣性效應(yīng)等因素都會(huì)對(duì)微重力模擬帶來不利影響。在已發(fā)展的多種微重力模擬技術(shù)中，懸吊法原理簡(jiǎn)單，使用靈活且可靠，成本低，應(yīng)用廣泛。為了減小對(duì)載荷的影響，盡可能地模擬載荷處于失重時(shí)的自由狀態(tài)，懸吊裝置應(yīng)滿足質(zhì)量小、剛度低的要求3。

（6）靜平衡法：結(jié)構(gòu)精巧，易于實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)多自由度微重力模擬，附加慣性效應(yīng)小。缺點(diǎn)是微重力模擬精度易受彈簧剛度等因素影響，進(jìn)行多維多自由度微重力模擬時(shí)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，適應(yīng)性和通用性較差。