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      一種基于電磁流體的載人航天器人工重力方案研究

      2018-06-28 11:43:24劉超鎮(zhèn)于學(xué)文
      載人航天 2018年3期
      關(guān)鍵詞:角動量航天器重力

      劉超鎮(zhèn),盧 山,于學(xué)文,孫 玥,耿 淼

      (1.上海航天控制技術(shù)研究所,上海201109;2.上海市空間智能控制技術(shù)重點實驗室,上海201109)

      1 引言

      現(xiàn)階段載人航天飛行能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離限于近地軌道以及短期登陸月球,飛行時間通常持續(xù)數(shù)天或幾周,失重所產(chǎn)生的負(fù)面影響較小;但未來長期月球或更遠(yuǎn)距離星球載人探測飛行時間將大大延長,失重環(huán)境對航天員的健康影響不容忽視[1]。事實上,現(xiàn)有的失重對抗措施還沒有完全被證明有效,不能為執(zhí)行長期航天任務(wù)(時間大于3個月)的航天員提供充分的保護(hù)[2]。

      人工重力是在載人航天器上通過對整體或部分進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)旋轉(zhuǎn)或線性加速以模擬重力的作用,對失重生理效應(yīng)進(jìn)行防護(hù)的一種措施[2]。人工重力不是單獨針對某個系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù),而是再現(xiàn)地球重力環(huán)境對所有生理系統(tǒng)的刺激。作為一種高效的多系統(tǒng)長期失重對抗措施,人工重力的合理應(yīng)用能有效解決骨丟失、心血管功能失調(diào)、肌萎縮、神經(jīng)前庭功能紊亂、航天貧血和免疫功能下降等問題[3]。除對生理系統(tǒng)有益外,人工重力也可明顯改善長期飛行的適居性,并且有利于個人衛(wèi)生的保持,航天員也更容易開展每日的工作,是一項在軌綜合性失重對抗措施[3]。

      人工重力的產(chǎn)生主要有線性加速和旋轉(zhuǎn)方式兩種方法。以線性加速產(chǎn)生人工重力的方法主要依賴于推進(jìn)系統(tǒng)工作,無法實現(xiàn)長時間1g重力需求[4]。以旋轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生人工重力主要有兩種思路:一是基于短臂離心機(jī)產(chǎn)生間歇人工重力;二是基于長臂旋轉(zhuǎn)航天器產(chǎn)生連續(xù)人工重力[5]。短臂離心機(jī)為達(dá)到1g人工重力,需要較高的轉(zhuǎn)速,這將導(dǎo)致航天員運動病或方向紊亂癥狀明顯。長臂旋轉(zhuǎn)航天器則具有較長的旋轉(zhuǎn)半徑,因此轉(zhuǎn)速相對較低。為了讓航天員在太空嘗試更長時間的駐留,基于長臂旋轉(zhuǎn)航天器產(chǎn)生人工重力的方法更可行,且更能提供綜合性防護(hù)。

      從早期馮·布勞恩提出的車輪狀空間站[6]到近期以載人登火為背景提出的剛性架構(gòu)航天器[7]都采用航天器整體旋轉(zhuǎn)的方式產(chǎn)生人工重力,但其旋轉(zhuǎn)動力來自于推力器或核動力,存在以下缺點:

      1)核動力技術(shù)難度大,存在安全風(fēng)險。

      2)環(huán)境干擾、航天員日?;顒拥犬a(chǎn)生的力矩會影響人工重力穩(wěn)定性,這就需要推力器經(jīng)常保持工作狀態(tài);對于數(shù)年的星際旅行來說,燃料預(yù)算較大,且頻繁啟動推力器容易引起撓性附件振動。

      本文針對上述人工重力產(chǎn)生方式的不足,面向長期載人探測對連續(xù)人工重力環(huán)境需求,提出一種基于電磁流體驅(qū)動的載人航天器人工重力新方案,利用電磁驅(qū)動航天器轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生人工重力環(huán)境,克服傳統(tǒng)方式振動大、燃料預(yù)算高等缺點。

      2 人工重力方案性能指標(biāo)參數(shù)

      2.1 重力大小

      人工重力加速度大小等同于作用于物體上的向心加速度,大小如式(1):

      基于地面長期的離心機(jī)作用效果研究,俄羅斯科學(xué)家建議,對人類來說最小且有用的人工重力大約是0.3g,而0.5g的人工重力能夠增強(qiáng)舒適感和各種正常表現(xiàn)[8]。 因此,本文針對0.3g、0.5g和1g開展設(shè)計以滿足不同航天器約束下航天員對重力需求。

      2.2 轉(zhuǎn)速

      科里奧利力在轉(zhuǎn)速較低時影響可忽略不計,但在轉(zhuǎn)速達(dá)到幾rpm時就會產(chǎn)生不良影響,使簡單的單腿移動變得困難[4]。因此,離心機(jī)或旋轉(zhuǎn)航天器的最大轉(zhuǎn)速須有所限制。科里奧利力大小可由式(2)表示[8]:

      2.3 重力梯度

      重力梯度描述的是航天員受到的重力大小與距離旋轉(zhuǎn)中心長度的函數(shù)??紤]航天員身高為h,躺在半徑為r的旋轉(zhuǎn)航天器中,那么他頭部的旋轉(zhuǎn)半徑為r?h。則頭部和腳部承受的加速度的比值可表示為式(3):

      若航天員身高h(yuǎn)為2 m,旋轉(zhuǎn)半徑小于10 m,重力梯度將達(dá)到20% ~100%,人們會明顯感覺到這個會使人呈彎曲姿勢的重力梯度[4]。

      2.4 舒適域

      隨著20世紀(jì)60年代載人航天飛行的開始,確定旋轉(zhuǎn)環(huán)境的舒適標(biāo)準(zhǔn)一直在努力進(jìn)行,期間公布了一些人工重力舒適度的指導(dǎo)方針[10?11],如圖1所示。其中包括了假想的舒適域圖,該圖由重力大小、頭腳方向重力梯度、轉(zhuǎn)速和線速度的值確定。

      圖1 重力大小與旋轉(zhuǎn)半徑、速度關(guān)系[11]Fig.1 Rotation rate as a function of the radius of ro?tation for four gravity levels[11]

      早期研究指出舒適域是由最小半徑12 m、最大重力1g、最小重力0.3g、最大轉(zhuǎn)速6 rpm確定的區(qū)域[10]。但近些年的研究表明這些界限可能過于保守[12]。

      3 電磁流體人工重力方案

      3.1 系統(tǒng)組成

      電磁驅(qū)動流體環(huán)內(nèi)液體旋轉(zhuǎn),流體產(chǎn)生角動量,根據(jù)角動量守恒定律,流體與航天器間進(jìn)行角動量交換。基于該原理,設(shè)計電磁流體驅(qū)動的人工重力方案:考慮流體環(huán)工作方式以及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,人工重力航天器主體結(jié)構(gòu)為圓環(huán)狀,如圖2所示,由環(huán)形總體結(jié)構(gòu)、人工重力生活艙、微重力實驗艙、GNC系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、電磁驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。

      圖2 電磁流體驅(qū)動的大型人工重力太空船F(xiàn)ig.2 Preliminary configurations of artificial gravity space vehicle

      1)大型流體環(huán)

      人工重力動力來源。是一個能夠繞中心軸旋轉(zhuǎn)的巨大圓環(huán),內(nèi)部腔體充有導(dǎo)電流體(如液態(tài)金屬鎵等)。在電磁場交互作用下,液態(tài)金屬受洛倫茲力作用產(chǎn)生運動,根據(jù)角動量守恒,太空船反向運動。

      2)生活艙

      產(chǎn)生人工重力環(huán)境,為航天員提供生命保障、類地生活環(huán)境及設(shè)備儀器空間,四個生活艙沿中心軸對稱分布。

      3)電磁驅(qū)動泵

      太空船人工重力的動力來源。通過驅(qū)動流體環(huán)內(nèi)液體流動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角動量,且距離生活艙一定距離,以產(chǎn)生與地球環(huán)境近似的磁場。

      本文重點在于電磁流體驅(qū)動產(chǎn)生人工重力這一創(chuàng)新途徑,太空船其它分系統(tǒng)不再一一論述。

      3.2 工作原理

      電磁流體驅(qū)動的基本原理是:當(dāng)導(dǎo)電液體中的載流子在電場中定向運動時,若受到和電場垂直方向的磁場作用,就會產(chǎn)生洛倫茲力,洛倫茲力反過來推動液體流動。如圖3所示。

      圖3 電磁驅(qū)動基本原理圖Fig.3 Operation principle of electromagnetic driver

      磁流體驅(qū)動方式可以大體分為直流式和交流式。本項目考慮到整體重量、效率以及航天器電源情況,采用直流傳導(dǎo)式驅(qū)動方式,其中磁場由永磁體提供。如結(jié)構(gòu)圖4所示,電磁場垂直作用于磁流體腔,流體腔內(nèi)產(chǎn)生電磁力即安培力,進(jìn)而推動流體沿管道循環(huán)流動。磁通密度和電流密度的矢積如式(4)所示,決定了作用在流體體積元上的力。

      圖4 電磁驅(qū)動泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structural diagram of electromagnetic driver

      當(dāng)圓環(huán)內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)運動后產(chǎn)生角動量,根據(jù)角動量守恒定律,流體環(huán)內(nèi)液體角動量HL與太空船角動量HS之和為零,即HL+HS=O。由此可知,液體的轉(zhuǎn)動使得太空船產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn),即人工重力環(huán)境。

      3.3 參數(shù)設(shè)計

      參考舒適域環(huán)境關(guān)系(圖1),選擇比較舒適的區(qū)間,那么旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)不大于4 rpm,旋轉(zhuǎn)半徑應(yīng)不小于30 m。在此基礎(chǔ)上,能夠產(chǎn)生1g、0.5g、0.3g的最小半徑為60 m。空間站艙段一般為25 t左右,本方案4個生活艙總重量設(shè)為100 t。其轉(zhuǎn)動慣量I=mr2,角動量J=Iω。

      1)1g參數(shù)設(shè)計

      旋轉(zhuǎn)速度取4 rpm,若在生活艙內(nèi)產(chǎn)生1g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間,那么生活艙旋轉(zhuǎn)半徑應(yīng)為56 m,則需要約1.3×108量級角動量。

      2) 0.5g參數(shù)設(shè)計

      與上述設(shè)計同等結(jié)構(gòu)下,即取生活艙旋轉(zhuǎn)半徑為56 m,若在生活艙內(nèi)產(chǎn)生0.5g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間,那么旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)為2.8 rpm,則需要約9.1×107量級角動量。

      根據(jù)舒適域區(qū)間約束,生活艙最小旋轉(zhuǎn)半徑為30 m,若在生活艙內(nèi)產(chǎn)生0.5g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間,那么旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)為3.8 rpm,則需要約3.7×107量級角動量。

      3) 0.3g參數(shù)設(shè)計

      取生活艙旋轉(zhuǎn)半徑為56 m,若在生活艙內(nèi)產(chǎn)生0.3g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間,那么旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)為 2.1 rpm,則需要約 6.8×107量級角動量。

      取生活艙旋轉(zhuǎn)半徑為最小半徑30 m,若在生活艙內(nèi)產(chǎn)生0.3g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間,那么旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)為3 rpm,則需要約2.8×107量級角動量。

      4 人工重力設(shè)計結(jié)果分析

      4.1 能耗分析

      流體環(huán)剖面簡化如圖5,其中l(wèi)為電磁驅(qū)動泵磁場作用區(qū)域長度,h為電場作用垂直距離,b為磁場作用垂直距離,等于內(nèi)外半徑之差,即rout-rin。

      圖5 流體環(huán)簡化示意圖Fig.5 Simplified diagram of the liquid loop

      流體環(huán)內(nèi)液體采用鎵銦合金液態(tài)金屬,流體環(huán)內(nèi)液體流速為式(5)[14]:

      式中,i為作用在液態(tài)金屬上的電流,B為作用在液體金屬上的磁場強(qiáng)度,D =2hb/h+b( )為水力直徑,v為流體的動力粘度(溫度303 K時,鎵的 動 力 粘 度 為 3.49 × 10-7m2s-1), R =( rout+rin)/2為流體環(huán)平均半徑,ρ為液態(tài)金屬密度。 不考慮電極壓降,直流電源電壓為式(6)[14]:

      穩(wěn)態(tài)功率Pa=Uei。

      針對 0.3g、0.5g 和1g 不同人工重力設(shè)計,從節(jié)約能量角度出發(fā),選取所需角動量較小的組合,因此所選不同人工重力下結(jié)構(gòu)尺寸及所需能耗參數(shù)如表1所示(磁場0.7 T)。

      表1 不同人工重力的特性參數(shù)Table 1 Parameters of different levels of artificial gravi?ty

      4.2 與傳統(tǒng)方式對比分析

      1)相比電機(jī)方式

      設(shè)與電磁流體方案保持同等大小外形和質(zhì)量,電機(jī)連接減速器后直接連接半徑r=56 m的圓環(huán)運動,質(zhì)量30 t,為產(chǎn)生1g人工重力(1.3×108Nm·s角動量),基于電機(jī)模型計算得出所需功率為700 kW。

      流體環(huán)方式相對于電機(jī)方式在功率、重量方面優(yōu)勢并不明顯,但產(chǎn)生如此之大量級角動量需要電機(jī)輪體體積較大,因此產(chǎn)生的振動、摩擦等也是難以接受的。流體環(huán)無大型機(jī)械驅(qū)動裝置,可靠性較高;流量控制平滑,無振動,有利于人工重力環(huán)境的穩(wěn)定性和舒適性。

      2)相比推力方式

      假設(shè)選擇比沖為3000 N·s/kg的推進(jìn)系統(tǒng),單推力器力臂長為56 m,那么產(chǎn)生1g重力(1.3×108Nm·s角動量)所需推進(jìn)劑約為800 kg。假設(shè)干擾力矩量級為1 Nm,那么維持人工重力每年的推進(jìn)劑預(yù)算為200 kg。

      除此之外,太空船飛行過程中受到常值干擾力矩的作用下,會影響人工重力的穩(wěn)定性,因此需要周期性開啟推力器以維持恒定人工重力。但對于長期深空載人探測來說,推力燃料屬于不可再生資源。因此推力方式難以適用于長期載人深空探測活動。流體環(huán)方式以電力作為動力來源,具有無燃耗,降低成本;可長期重復(fù)使用,適用于星際載人活動等優(yōu)點。另外,流體環(huán)產(chǎn)生的磁場可為生活艙提供防護(hù)場,模擬地球磁場環(huán)境,抵御空間輻射風(fēng)險。

      因此,對于短期載人航天活動,采用推力方式經(jīng)濟(jì)效益較高;但對于數(shù)年以上的深空載人探測活動來說,采用電磁流體環(huán)方式綜合效益(經(jīng)濟(jì)性、人工重力穩(wěn)定性、生理防護(hù)等)較高。

      5 結(jié)論

      本文提出的一種基于電磁流體驅(qū)動的太空船人工重力方案,其0.3g、0.5g和1g人工重力參數(shù)可以滿足不同航天器尺寸與能耗約束下的需求。與傳統(tǒng)電機(jī)方式、推力器方式對比表明,基于電磁流體驅(qū)動具有更高的可靠性、穩(wěn)定性和舒適性,適用于星際載人活動。

      [ 1 ] Clément G.Fundamentals of Space Medicine[M].Micro?cosm Press.El Segundo and Springer, Dordrecht, 2005:227?290.

      [ 2 ] Kozlovskaya I B, Grigoriev A I, Stepantzov V I.Counter?measure of the negative effects of weightlessness on physical systems in long?term space flights[J].Acta Astronaut, 1995,36(8?12): 661?668.

      [3] Paloski W H.Artificial gravity as a tool in biology and medi?cine[R].International Academy of Astronautics Study Group 2.2, 2006.

      [4] Clément G, Burley A.Artificial Gravity[M].Microcosm Press and Springer, 2006: 38?39.

      [5] Stone R W.An overview of artificial gravity[C]//the Fifth Symposium on the Role of the Vestibular Organs in Space Ex?ploration.Naval Aerospace Medical Center.Pensacola,EL.19?21 August 1970,NASA SP?314.pp 23?33.

      [ 6 ] Clément G, Pavy?Le Traon A.Centrifugation as a counter?measure during actual and simulated spaceflight:A review[J].European journal of Applied Phvsiology,2004, 92:235?248.

      [7] Joosten B K.Preliminary assessment of artificial gravity im?pacts to deep?space vehicle design[R].JSC?63743, 2002.

      [8] Shipov A A,Kotovskaya A R,Galle R R.Biomedical aspects of artificial gravity[J].Acta Astronautica, 1981, 8: 1117?1121.

      [9] Lackner JR,DiZio P.Adaptation in a rotating artificial gravi?ty environment[J].Brain Res Rev, 1998, 28(1?2): 194?202.

      [10] Hall T W.Inhabiting artificial gravity[R].AIAA 1999?4524, 1999.

      [11] Hall T W.Artificial gravity and the architecture of orbital habitats[J].Journal of the British Interplanetary Society,1999, 52: 290?300.

      [12] Young L R, Hecht H, Lyne L E.Artificial gravity: head movements during short?radius centrifugation[J].Acta Astro?nautica, 2001, 49:215?226.

      [13] 中國科學(xué)院力學(xué)研究所.液態(tài)金屬電磁泵[M].北京:科學(xué)出版社, 1976:22?43.

      Institute of Mechanics, CAS.Liquid Metal Electromagnetic Pump[M].Beijing: Science Press, 1976: 22?43.(in Chi?nese)

      [14] Varatharajoo R, Kahle R, Fasoulas S.Approach for combi?ning spacecraft attitude and thermal control systems[J].Jour?nal of spacecraft and rockets, 2003, 40(5): 657?664.

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