空间站微重力环境研究与分析

杨 彪，胡添元

(北京空间技术研制试验中心，北京100094)

1 引言

航天器在轨运行时会受到地球引力以外的各种干扰力的作用，达不到完全的失重状态，而是一种“微重力”环境。“微重力”是对“失重”的偏离［1］，其大小通过航天器所受到各种干扰力的加速度来度量，也称为微重力加速度。干扰力来源包括多个方面，既有外界的固有摄动力，也有航天器系统内部的各种作用力。大气阻力、太阳光压、重力梯度效应以及轨道机动、姿态控制、设备的运转和动作，还有乘员的活动，都会影响空间站上的微重力加速度水平。根据干扰力的来源和性质的不同，可将微重力加速度环境分为三类:①准稳态加速度，②瞬态加速度，③振动加速度。

1)准稳态加速度——通常指扰动频率小于0.01 Hz的微重力加速度，其幅度一般不超过10-5gn量级，其中gn为地球表面重力加速度，取9.8 m/s2。这种加速度通常是航天器受外界固有摄动力影响造成的，主要来源于重力梯度、大气阻力和太阳光压［2］。这些因素产生的加速度可从理论上计算，其大小和分布主要取决于空间站的构型、质量特性、轨道高度和姿态等。

2)瞬态加速度——由各种非周期性的瞬态干扰力所产生的加速度，其频率范围较宽，在数Hz到数百Hz之间，幅度通常可以到达10-3gn量级［2］。瞬态加速度的主要来源包括:姿态和轨道控制时的推进力，交会对接与分离过程中的冲击力，机械部件运动(如机械臂动作，开关舱门)，乘员活动与训练等。由于大部分瞬态干扰源具有随机性，加速度值无法通过理论计算得到，通过加速度仪进行在轨监测是比较有效的方法。

3)振动加速度——周期性扰动的加速度，表现为在某些特征频率及其谐频上的正弦响应或衰减振荡，振荡频率范围一般在0.1～300 Hz之间［2］。振动加速度主要来自设备的机械振动，比如空间站上风扇、泵、压气机的工作，太阳翼、中继天线的转动，控制力矩陀螺的动作。振动加速度幅度一般在10-6～10-3gn量级范围。

空间站上的微重力环境是一种宝贵的资源，微重力加速度的评估和测量为空间科学实验(如生物技术、材料科学、基础物理研究等)提供微重力环境方面的参考依据，以便于指导开展科学研究。本文分析了国际空间站的微重力研究情况，并给出了典型“积木式”空间站微重力水平的算例分析，为我国空间站微重力环境应用总体方案提供有利的参考。

2 国际空间站微重力环境利用

表1统计了国际空间站上几类主要干扰源产生加速度的幅度和频率范围［3］。其中舱段对接与分离、轨道维持过程引起的加速度幅度最大，其次是乘员活动的影响。轨道姿态调整、结构振动和设备动作也会带来显著的影响。在微重力科学实验期间，要尽可能避免或减轻这些干扰源带来的影响。

表1 国际空间站各类干扰源产生加速度的幅度和频率范围Table 1 The magnitudes and frequencies of microgravity accelerations induced by different sources on the International Space Station

2.1 微重力水平设计指标

为保障微重力科学实验的顺利开展，国际空间站设计了“微重力”飞行模式。这种模式要求空间站能够为至少50%的有效载荷提供至少连续30天、每年持续180天的微重力环境［4］;同时对以下三类加速度的限值均提出了要求:

1)准稳态微重力——在实验载荷的中心，准稳态加速度的幅度≤1 μgn(10-6gn);并且在与轨道加速度矢量(轨道坐标系z轴)垂直方向上的加速度分量≤0.2 μgn。

2)振动微重力——国际空间站定义了实验舱与国际标准有效载荷机柜(ISPR)结构接口之间的振动加速度约束。当振动频率在0.01～300 Hz之间时，振动加速度的极限如图1所示，图中纵轴表示在任意100 s时间内加速度的均方根值。

①在0.01 Hz～0.1 Hz之间，振动加速度的均方根≤1.6×10-6gn;

②在0.1 Hz～100 Hz之间，振动加速度的均方根≤1.6×10-5f gn(其中f为频率值);

③在100 Hz～300 Hz之间，振动加速度的均方根≤1.6×10-3gn。

3)瞬态微重力

①单独的瞬态干扰源引起每个轴的瞬时加速度值≤1000 μgn;

②瞬态干扰源综合作用时，每轴在任意10 s内加速度的时间积分≤10 μgn·s。

图1 国际空间站振动加速度水平设计限值Fig.1 Vibratory microgravity acceleration limits for the International Space Station

2.2 微重力加速度测量

国际空间站上采用加速度测量仪来监测关键位置或区域的微重力水平，为实验用户提供服务［5］。国际空间站采用了两套加速度测量系统:Microgravity Acceleration Measurement System(MAMS)用于测量准稳态加速度;Space Acceleration Measurement System-II(SAMS-II)用于测量振动/瞬态加速度。

1)MAMS测量系统

MAMS安装在美国实验舱，用于提供高精度加速度数据，其低频模块可测量频率小于1 Hz的加速度，幅度范围为 10-9～10-2gn［6］。工作原理如图2，通过准稳态加速度传感器获得三个坐标轴方向上表征加速度大小的电压模拟信号，通过数据处理单元进行模拟-数字信号转换及滤波处理，发送至通讯控制与数据存储组件暂存，加速度数据通过站上以太网接口传输并下行;地面用户中心通过地面控制接口监测和控制加速度测量系统的状态。偏置校准组件由电机控制器和双轴万向节结构组成，用于补偿和校正传感器自身的漂移加速度。

图2 MAMS准稳态加速度测量部分原理框图Fig.2 Functional block diagram for the quasi-steady measurement module of MAMS

2)SAMS-II测量系统

SAMS-II系统用来测量国际空间站上的振动/瞬态加速度，用于支持微重力科学实验和研究。其频率范围在0.01～400 Hz，幅度范围为10-6～ 10-1gn［7］。SAMS-II加速度测量系统由两个基本模块组成:中央控制单元和多个远置三轴敏感器，其系统组成见图3。三轴敏感器安装在靠近有效载荷的位置，直接测量环境加速度水平。中央控制单元将各个三轴敏感器模块采集的加速度数据通过空间站的网络信息系统传送到地面用户中心，由地面进行数据的处理和分发。

图3 SAMS-II系统组成框图Fig.3 SAMS-II system block diagram.

2.3 隔振系统

国际空间站上某些科学实验需要很高的微重力水平，为此需要为载荷平台设计隔振系统，以消除各种扰动对科学实验载荷的影响。国际空间站通过国际标准载荷机柜来支持实验载荷，在部分机柜上安装了主动隔振系统(Active Rack Isolation System，ARIS)［8］。ARIS 是一个闭环控制系统，其工作原理如图4所示，安装在机柜上的加速度仪和位移传感器检测机柜的振动，控制系统控制驱动器组件在机柜和空间站舱体间产生反作用力，由8个机电执行机构用来移动机柜以抵消外界的振动干扰。ARIS系统的工作频率在1 000 Hz以下，在20～200 Hz范围内最有效。

3 微重力应用规划-算例分析

假设空间站由三个舱段组成，分别记名为中心舱，试验舱1和试验舱2，构架采用与和平号空间站类似的“积木式”结构。如图5所示，三个舱段由对接舱连接，组成“T”字构型。在三轴对地稳定姿态飞行时，中心舱纵轴沿飞行方向。空间站总质量为100吨，质心位于中心舱;太阳翼展开后迎风面积为500 m2;运行轨道高度为400 km。

图4 ARIS主动隔振系统原理框图Fig.4 ARIS functional block diagram.

图5 三舱段空间站构型图Fig.5 The configuration of three-module space station

3.1 准稳态加速度分析

表2给出了不同影响因素产生的准稳态加速度，可以看出，重力梯度造成的准稳态加速度最大，比大气阻力和太阳光压力产生的加速度高1～2个量级。因此，在设计我国空间站准稳态微重力指标时，应主要考虑重力梯度的影响。

表2 主要准稳态干扰源产生的加速度Table 2 The acceleration magnitudes caused by major quasi-steady sources

需要指出的是，大气阻力和太阳光压力属于外界摄动力，在空间站不同位置上产生的加速度是一致的;而重力梯度造成加速度大小在空间站不同位置上并不相同。图6给出了空间站在本体坐标系YOZ平面上的加速度等值线(本体坐标系定义为，坐标原点位于中心舱尾部中心，x轴沿着中心舱纵轴指向对接舱方向，y轴与试验舱舱体轴线平行指向试验舱2，z轴完成右手法则)。对中心舱而言，等值线是一组同心椭圆，两试验舱的等值线可以视为这组同心椭圆的延伸。

图6 重力梯度产生加速度在YOZ平面的等值线Fig.6 The contour of acceleration magnitudes in YOZ plane induced by gravity gradient

参考国际空间站长期在轨运行模式［10］，采用角动量管理方式，空间站滚转角在一定范围内以轨道周期做正弦波动。这种绕x轴的旋转效应也会产生准稳态加速度(频率约2×10-4Hz)。载荷越靠近x轴，旋转效应产生的加速度越小。通过计算发现，这种旋转效应在中心舱密封舱中产生的最大加速度为0.1 μgn，试验舱密封舱中产生的最大加速度为0.3 μgn。相比而言，仍然是重力梯度的影响最大。

参考国际空间站对舱内载荷的支持方式［10］，采用标准装载单元。图7给出了中心舱和试验舱内装载单元中心位置的准稳态加速度大小(包括重力梯度和旋转效应)。为了让微重力科学实验处于最佳的准稳态微重力环境，建议实验载荷安装位置的优先级如下:

1)中心舱左弦(B区)和右弦(D区)位置;

2)试验舱迎风(B区)和背风(D区)面并靠近对接舱的位置;

3)中心舱对地(A区)和对天(C区)位置;

4)试验舱地面(A区)和对天(C区)面并靠近对接舱的位置。

3.2 瞬态/振动加速度分析

空间站上设备动作和结构振动引起的瞬态/振动干扰难以评估，在这里不做分析。对于几种影响显著的干扰源(表1):轨道维持、姿态调整和乘员活动，可以简单估计其瞬态加速度，结果见表3。

图7 中心舱(a)和试验舱(b)装载单元中心位置的准稳态微重力水平Fig.7 The quasi-steady microgravity acceleration magnitudes at the rack center of the Central Module(a)and the Experimental Module(b)

表3 几种瞬态干扰源产生的加速度Table 3 The acceleration magnitudes caused by some transient sources

对轨道维持和姿态调整而言，瞬态加速度大小主要取决取发动机的推力，每次动作产生的加速度值比较确定;而乘员活动产生的瞬态加速度随机性很大。Newman等［9］测量了和平号空间站上乘员的各种动作产生的作用力，结果表明，在96%的时间里，乘员产生的最大作用力不超过60 N，在99%的时间里，乘员产生的最大作用力不超过90 N;纪录到单个事件的最大瞬时作用力为137 N。参考这些测量数据可估计，在100吨级空间站上99%的时间里乘员活动带来的瞬态加速度不超过 92 μgn。

鉴于瞬态干扰带来的影响较大，微重力实验期间应尽量避免轨道维持、变轨机动、姿态调整、交会对接与舱段分离等明显的动作;还应尽量减小乘员的活动强度;必要时还需对一些振动干扰较大的设备和结构进行隔振设计。

4 结论

本文介绍了空间站上不同类型的微重力环境，并总结了国际空间站的微重力研究情况。最后结合算例，对100吨“积木式”三舱组合体空间站的微重力水平进行分析和估算。本研究工作对将来我国空间站开展微重力科学应用的启示如下:

1)准稳态加速度水平在1 μgn量级，主要由重力梯度产生。微重力实验载荷的布局可依据准稳态加速度分布进行合理规划。

2)振动/瞬态加速度通常可达103μgn量级，难以从理论上进行估计。空间站设计阶段，可建立模型分别评估各干扰因素产生的加速度;在轨运行期间，需通过加速度仪监测载荷附近的微重力水平，为实验用户提供参考依据。

3)微重力实验期间，需避开舱段对接、轨道维持等明显的动作过程，并尽量避免喷气进行姿态控制，以获得更好的振动/瞬态微重力环境。为了顺利开展高微重力要求的科学实验，需要采取措施消除或减轻空间站平台设备对载荷造成的干扰，为载荷设计减振系统是发展空间微重力应用道路上需要解决的技术难题。

［1］薛大同，雷军刚，程玉峰，等.“神舟”号飞船的微重力测量［J］.物理，2004，33(2):351-358.

［2］DeLombard R.Compendium of information for interpreting the microgravity environment of the orbiter spacecraft［R］.National Aeronautics and Space Administration，Lewis Research Center:NASA Technical Memorandum 107032，1996.

［3］Jules K，Hrovat K，Kelly E，et al.International Space Station increment-6/8 microgravity environment summary report［R］.Washington，D.C.:NASA TM-2006-213896，2006.

［4］NASA SSP-41000E.System Specification for the International Space Station［S］.1996:39-42.

［5］DeLombard R.Interpreting the International Space Station microgravity environment［C］//Nevada:AIAA 43rd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，AIAA 2005-727，2005.

［6］Fox J C，Rice J E，Ebling J P，et al.The international space sation microgravity acceleration measurement System［C］//Nevada:AIAA 36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，AIAA-98-0459，1998.

［7］Sutliff T J.Space acceleration measurement system-II:microgravity instrumentation for the international space station research community［C］//Instrumentation and Measurement Technology Conference，1999.IMTC/99.Proceedings of the 16th IEEE.IEEE，1999，1:254-259.

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［9］Newman D J，Amir A R，Beck S M.Astronaut-induced disturbance to the microgravity environment of the Mir Space Station［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2000，38(4):578-583.

［10］Catherine A.Jorgensen.International space station evolution data book volume I.baseline design［R］.NASA Langley Research Center:NASA/SP-2000-6109/VOL1/REV1，2000.