空间微重力主动隔振技术研究.pdf

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1、载人航天2010年第3期技术论文空间微重力主动隔振技术研究李宗峰任维佳(中国科学院光电研究院)摘要在轨运行航天器上的实验栽荷面对的是航天器内的微重力环境。由于扰动传递到实验栽荷上会影响实验的有效性，因此，需要对实验载荷采取一定的振动隔离手段。主动隔振能够有效隔离低至0．01Hz的扰动，成为微重力隔振技术的发展方向。国外多种隔振装置的研制成功，对我国航天实验载荷的主动隔振装置研制具有借鉴作用。关键词微重力环境微重力加速度振动隔离技术主动隔振装置分类号TB53文献标识码A文章编号1674—5825(2010)03

2、—0024—091引言人们在航天器中进行空间材料加工，空间生命科学和流体力学等实验研究，利用的是航天器中产生的失重环境。失重这一诱发环境提供轻重不分、上下无别、沉浮不现和对流消失等物理条件，才会实现无容器冶炼，悬浮生长，不同密度流体的均匀混合等。但是，理想的失重环境是难以得到的。在轨运行的航天器总会受到各种扰动的影响，这破坏了无轻重、无上下、无沉浮和无对流的理想条件，一定程度上构成对空间材料加工、空间生命科学和流体科学等实验的有害干扰。为给空间科学实验提供良好的微重力环境，降低这些扰动对实验的影响，对实验载荷

3、采取一定的隔振手段是很有必要的。2航天器微重力环境2．1正确认识微重力在近地空间的引力场中，航天器以速度口在距地心距离为r的轨道上运行时，它的离心加速度恰好等于引力加速度才能维持轨道飞行，即：生：c车(1)，广其中：G为万有引力常数；尬表示地球质量这种飞行具有同自由落体同样的特点，即加速度仅为引力加速度，只不过方向时刻改变，即航天器绕地球做匀速圆周运动，而重物不能落到地面上，因此航天器内部可以保持长时间的失重环境。更简单一些，就是认为速度为t，=、／葫万的航天器，它的惯性离心力和地球引力相抵消，这导致重量为零

4、，航天器内处于失重状态。关于上面航天器的轨道飞行含有一个假设：地球是对地心质量分布各向对称的球体，航天器视为质点，所受引力等效于质量全部集中于球心和质心的相互间的引力。但是地球和航天器都不能完全满足这个假设，此外，在轨飞行的航天器还会受到其他作用力的影响，其结果是航天器及其内部物体会产生额外的加速度，这时，物体与物体之间，物体与航天器之间就产生相互作用力，表现出“重量”，也就是所谓的微重力。因此，完全的失重环境是一种理想状态，我们能得到的只是航天器的微重力环境。可以说，微重力环境是在近地面空间的引力场中，由于

5、航天器在引力场中运行时，受到各种扰动作用而导致的一种诱发环境，是相对于航天器的完全失重环境而言的，通常以微重力加速度作为衡量微重力水平的标志。来稿日期：20l啡20；惨回日期：20l帅8—30。作者简介：李宗峰(1982．04．)，男．博士，助理研究员．主要从事微重力主动隔振技术研究工作。24技术论文载人航天2010年第3期2．2微重力加速度分类根据航天器所受干扰的来源和性质不同，微重力加速度分为以下几类(另参见表1)l·咽：准稳态加速度：这是由航天器受到的大气阻力，潮汐力，太阳辐射压，其他天体的引力等作用力

6、引起的准稳态(qu船i一8teady)微重力加速度，一般不超过10‰量级(助为地球表面引力加速度，约取9．8t砒2，下同)，振动频率在O．OlHz以下，作用时间同航天器飞行时间。振动加速度：来自试验设备的振动干扰如泵、风扇、电机等及各种扰动因素引起的航天器结构的动力学响应，表现为稳态正弦响应、随机涨落或衰减振荡的微重力加速度，一般在10‰量级以上，振动频率在0．01Hz至300Hz，持续时间视扰动源的作用时间而定。瞬变加速度：这是由变轨推力、轨道控制和姿态控制推力、航天器辅助设备和有效载荷动作以及航天员的动作

7、引起的瞬变(transient)微重力加速度，一般在10屯量级以上，持续时间在0．0lploos之间不等。表l微重力加速度分类分类频率范围加速度量级持续时间作用力来源准稳态加速度

8、也不同。如微重力流体物理及材料结晶研究，过大的扰动会破坏流场和结晶过程，使得实验不能达到预期的结果，甚至严重歪曲或导致实验的失败。因此，良好的微重力水平是高水平微重力科学研究得以成功的重要保障。NASA的科学家系统地分析了各学科微重力科学实验研究对微重力扰动的敏感程度，得到各类微重力科学实验时所10_11扩21旷3秣蚓餐10r4嗣怒鞲10r51旷1旷7要满足的微重力水平要求，如图l所示。国际空间站规