空間站微重力環境研究與分析

楊 彪，胡添元

(北京空間技術研制試驗中心，北京100094)

1 引言

航天器在軌運行時會受到地球引力以外的各種干擾力的作用，達不到完全的失重狀態，而是一種“微重力”環境。“微重力”是對“失重”的偏離［1］，其大小通過航天器所受到各種干擾力的加速度來度量，也稱為微重力加速度。干擾力來源包括多個方面，既有外界的固有攝動力，也有航天器系統內部的各種作用力。大氣阻力、太陽光壓、重力梯度效應以及軌道機動、姿態控制、設備的運轉和動作，還有乘員的活動，都會影響空間站上的微重力加速度水平。根據干擾力的來源和性質的不同，可將微重力加速度環境分為三類:①準穩態加速度，②瞬態加速度，③振動加速度。

1)準穩態加速度——通常指擾動頻率小于0.01 Hz的微重力加速度，其幅度一般不超過10-5gn量級，其中gn為地球表面重力加速度，取9.8 m/s2。這種加速度通常是航天器受外界固有攝動力影響造成的，主要來源于重力梯度、大氣阻力和太陽光壓［2］。這些因素產生的加速度可從理論上計算，其大小和分布主要取決于空間站的構型、質量特性、軌道高度和姿態等。

2)瞬態加速度——由各種非周期性的瞬態干擾力所產生的加速度，其頻率范圍較寬，在數Hz到數百Hz之間，幅度通常可以到達10-3gn量級［2］。瞬態加速度的主要來源包括:姿態和軌道控制時的推進力，交會對接與分離過程中的沖擊力，機械部件運動(如機械臂動作，開關艙門)，乘員活動與訓練等。由于大部分瞬態干擾源具有隨機性，加速度值無法通過理論計算得到，通過加速度儀進行在軌監測是比較有效的方法。

3)振動加速度——周期性擾動的加速度，表現為在某些特征頻率及其諧頻上的正弦響應或衰減振蕩，振蕩頻率范圍一般在0.1～300 Hz之間［2］。振動加速度主要來自設備的機械振動，比如空間站上風扇、泵、壓氣機的工作，太陽翼、中繼天線的轉動，控制力矩陀螺的動作。振動加速度幅度一般在10-6～10-3gn量級范圍。

空間站上的微重力環境是一種寶貴的資源，微重力加速度的評估和測量為空間科學實驗(如生物技術、材料科學、基礎物理研究等)提供微重力環境方面的參考依據，以便于指導開展科學研究。本文分析了國際空間站的微重力研究情況，并給出了典型“積木式”空間站微重力水平的算例分析，為我國空間站微重力環境應用總體方案提供有利的參考。

2 國際空間站微重力環境利用

表1統計了國際空間站上幾類主要干擾源產生加速度的幅度和頻率范圍［3］。其中艙段對接與分離、軌道維持過程引起的加速度幅度最大，其次是乘員活動的影響。軌道姿態調整、結構振動和設備動作也會帶來顯著的影響。在微重力科學實驗期間，要盡可能避免或減輕這些干擾源帶來的影響。

表1 國際空間站各類干擾源產生加速度的幅度和頻率范圍Table 1 The magnitudes and frequencies of microgravity accelerations induced by different sources on the International Space Station

2.1 微重力水平設計指標

為保障微重力科學實驗的順利開展，國際空間站設計了“微重力”飛行模式。這種模式要求空間站能夠為至少50%的有效載荷提供至少連續30天、每年持續180天的微重力環境［4］;同時對以下三類加速度的限值均提出了要求:

1)準穩態微重力——在實驗載荷的中心，準穩態加速度的幅度≤1 μgn(10-6gn);并且在與軌道加速度矢量(軌道坐標系z軸)垂直方向上的加速度分量≤0.2 μgn。

2)振動微重力——國際空間站定義了實驗艙與國際標準有效載荷機柜(ISPR)結構接口之間的振動加速度約束。當振動頻率在0.01～300 Hz之間時，振動加速度的極限如圖1所示，圖中縱軸表示在任意100 s時間內加速度的均方根值。

①在0.01 Hz～0.1 Hz之間，振動加速度的均方根≤1.6×10-6gn;

②在0.1 Hz～100 Hz之間，振動加速度的均方根≤1.6×10-5f gn(其中f為頻率值);

③在100 Hz～300 Hz之間，振動加速度的均方根≤1.6×10-3gn。

3)瞬態微重力

①單獨的瞬態干擾源引起每個軸的瞬時加速度值≤1000 μgn;

②瞬態干擾源綜合作用時，每軸在任意10 s內加速度的時間積分≤10 μgn·s。

圖1 國際空間站振動加速度水平設計限值Fig.1 Vibratory microgravity acceleration limits for the International Space Station

2.2 微重力加速度測量

國際空間站上采用加速度測量儀來監測關鍵位置或區域的微重力水平，為實驗用戶提供服務［5］。國際空間站采用了兩套加速度測量系統:Microgravity Acceleration Measurement System(MAMS)用于測量準穩態加速度;Space Acceleration Measurement System-II(SAMS-II)用于測量振動/瞬態加速度。

1)MAMS測量系統

MAMS安裝在美國實驗艙，用于提供高精度加速度數據，其低頻模塊可測量頻率小于1 Hz的加速度，幅度范圍為 10-9～10-2gn［6］。工作原理如圖2，通過準穩態加速度傳感器獲得三個坐標軸方向上表征加速度大小的電壓模擬信號，通過數據處理單元進行模擬-數字信號轉換及濾波處理，發送至通訊控制與數據存儲組件暫存，加速度數據通過站上以太網接口傳輸并下行;地面用戶中心通過地面控制接口監測和控制加速度測量系統的狀態。偏置校準組件由電機控制器和雙軸萬向節結構組成，用于補償和校正傳感器自身的漂移加速度。

圖2 MAMS準穩態加速度測量部分原理框圖Fig.2 Functional block diagram for the quasi-steady measurement module of MAMS

2)SAMS-II測量系統

SAMS-II系統用來測量國際空間站上的振動/瞬態加速度，用于支持微重力科學實驗和研究。其頻率范圍在0.01～400 Hz，幅度范圍為10-6～ 10-1gn［7］。SAMS-II加速度測量系統由兩個基本模塊組成:中央控制單元和多個遠置三軸敏感器，其系統組成見圖3。三軸敏感器安裝在靠近有效載荷的位置，直接測量環境加速度水平。中央控制單元將各個三軸敏感器模塊采集的加速度數據通過空間站的網絡信息系統傳送到地面用戶中心，由地面進行數據的處理和分發。

圖3 SAMS-II系統組成框圖Fig.3 SAMS-II system block diagram.

2.3 隔振系統

國際空間站上某些科學實驗需要很高的微重力水平，為此需要為載荷平臺設計隔振系統，以消除各種擾動對科學實驗載荷的影響。國際空間站通過國際標準載荷機柜來支持實驗載荷，在部分機柜上安裝了主動隔振系統(Active Rack Isolation System，ARIS)［8］。ARIS 是一個閉環控制系統，其工作原理如圖4所示，安裝在機柜上的加速度儀和位移傳感器檢測機柜的振動，控制系統控制驅動器組件在機柜和空間站艙體間產生反作用力，由8個機電執行機構用來移動機柜以抵消外界的振動干擾。ARIS系統的工作頻率在1 000 Hz以下，在20～200 Hz范圍內最有效。

3 微重力應用規劃-算例分析

假設空間站由三個艙段組成，分別記名為中心艙，試驗艙1和試驗艙2，構架采用與和平號空間站類似的“積木式”結構。如圖5所示，三個艙段由對接艙連接，組成“T”字構型。在三軸對地穩定姿態飛行時，中心艙縱軸沿飛行方向。空間站總質量為100噸，質心位于中心艙;太陽翼展開后迎風面積為500 m2;運行軌道高度為400 km。

圖4 ARIS主動隔振系統原理框圖Fig.4 ARIS functional block diagram.

圖5 三艙段空間站構型圖Fig.5 The configuration of three-module space station

3.1 準穩態加速度分析

表2給出了不同影響因素產生的準穩態加速度，可以看出，重力梯度造成的準穩態加速度最大，比大氣阻力和太陽光壓力產生的加速度高1～2個量級。因此，在設計我國空間站準穩態微重力指標時，應主要考慮重力梯度的影響。

表2 主要準穩態干擾源產生的加速度Table 2 The acceleration magnitudes caused by major quasi-steady sources

需要指出的是，大氣阻力和太陽光壓力屬于外界攝動力，在空間站不同位置上產生的加速度是一致的;而重力梯度造成加速度大小在空間站不同位置上并不相同。圖6給出了空間站在本體坐標系YOZ平面上的加速度等值線(本體坐標系定義為，坐標原點位于中心艙尾部中心，x軸沿著中心艙縱軸指向對接艙方向，y軸與試驗艙艙體軸線平行指向試驗艙2，z軸完成右手法則)。對中心艙而言，等值線是一組同心橢圓，兩試驗艙的等值線可以視為這組同心橢圓的延伸。

圖6 重力梯度產生加速度在YOZ平面的等值線Fig.6 The contour of acceleration magnitudes in YOZ plane induced by gravity gradient

參考國際空間站長期在軌運行模式［10］，采用角動量管理方式，空間站滾轉角在一定范圍內以軌道周期做正弦波動。這種繞x軸的旋轉效應也會產生準穩態加速度(頻率約2×10-4Hz)。載荷越靠近x軸，旋轉效應產生的加速度越小。通過計算發現，這種旋轉效應在中心艙密封艙中產生的最大加速度為0.1 μgn，試驗艙密封艙中產生的最大加速度為0.3 μgn。相比而言，仍然是重力梯度的影響最大。

參考國際空間站對艙內載荷的支持方式［10］，采用標準裝載單元。圖7給出了中心艙和試驗艙內裝載單元中心位置的準穩態加速度大小(包括重力梯度和旋轉效應)。為了讓微重力科學實驗處于最佳的準穩態微重力環境，建議實驗載荷安裝位置的優先級如下:

1)中心艙左弦(B區)和右弦(D區)位置;

2)試驗艙迎風(B區)和背風(D區)面并靠近對接艙的位置;

3)中心艙對地(A區)和對天(C區)位置;

4)試驗艙地面(A區)和對天(C區)面并靠近對接艙的位置。

3.2 瞬態/振動加速度分析

空間站上設備動作和結構振動引起的瞬態/振動干擾難以評估，在這里不做分析。對于幾種影響顯著的干擾源(表1):軌道維持、姿態調整和乘員活動，可以簡單估計其瞬態加速度，結果見表3。

圖7 中心艙(a)和試驗艙(b)裝載單元中心位置的準穩態微重力水平Fig.7 The quasi-steady microgravity acceleration magnitudes at the rack center of the Central Module(a)and the Experimental Module(b)

表3 幾種瞬態干擾源產生的加速度Table 3 The acceleration magnitudes caused by some transient sources

對軌道維持和姿態調整而言，瞬態加速度大小主要取決取發動機的推力，每次動作產生的加速度值比較確定;而乘員活動產生的瞬態加速度隨機性很大。Newman等［9］測量了和平號空間站上乘員的各種動作產生的作用力，結果表明，在96%的時間里，乘員產生的最大作用力不超過60 N，在99%的時間里，乘員產生的最大作用力不超過90 N;紀錄到單個事件的最大瞬時作用力為137 N。參考這些測量數據可估計，在100噸級空間站上99%的時間里乘員活動帶來的瞬態加速度不超過 92 μgn。

鑒于瞬態干擾帶來的影響較大，微重力實驗期間應盡量避免軌道維持、變軌機動、姿態調整、交會對接與艙段分離等明顯的動作;還應盡量減小乘員的活動強度;必要時還需對一些振動干擾較大的設備和結構進行隔振設計。

4 結論

本文介紹了空間站上不同類型的微重力環境，并總結了國際空間站的微重力研究情況。最后結合算例，對100噸“積木式”三艙組合體空間站的微重力水平進行分析和估算。本研究工作對將來我國空間站開展微重力科學應用的啟示如下:

1)準穩態加速度水平在1 μgn量級，主要由重力梯度產生。微重力實驗載荷的布局可依據準穩態加速度分布進行合理規劃。

2)振動/瞬態加速度通常可達103μgn量級，難以從理論上進行估計。空間站設計階段，可建立模型分別評估各干擾因素產生的加速度;在軌運行期間，需通過加速度儀監測載荷附近的微重力水平，為實驗用戶提供參考依據。

3)微重力實驗期間，需避開艙段對接、軌道維持等明顯的動作過程，并盡量避免噴氣進行姿態控制，以獲得更好的振動/瞬態微重力環境。為了順利開展高微重力要求的科學實驗，需要采取措施消除或減輕空間站平臺設備對載荷造成的干擾，為載荷設計減振系統是發展空間微重力應用道路上需要解決的技術難題。

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