[科普中国]-微重力模拟

简介

地面微重力模拟是随着航天技术的发展而出现的新研究领域，很快便成为美国、日本、加拿大等空间大国相继关注的重要技术之一，相比于数字仿真和理论评估，通过微重力模拟所得到的试验数据真实性、可靠性更强，具有不可替代的优势1。

不同于其他物理作用，重力是万有引力的分量，其产生无需接触，也无法通过现有的科学方法消除或隔断。由于万有引力几乎全部用来提供向心力，物体在太空中处于微重力环境，微重力一般为g×10的负4次方量级，在地面上建立模拟系统，模拟太空的微重力环境一般采用机械装置实现。

背景空间微重力环境对生命体生理稳态的影响规律及其机理的认识是载人航天活动必需解决的一个核心科学问题. 微重力下浮力趋于消失、表面效应凸显, 不同密度和质量的物体因失重而难以沉降, 从而显著影响生命体的物理、化学和生物学过程, 导致其生命活动和生理行为发生显著改变. 由于重力的作用与所研究对象尺度的三次方成正比, 加之生命体多层次、多尺度耦合作用的复杂性, 因此, 选择生命体的基本单元——细胞——作为地基研究的突破口, 来解决这一载人航天活动的核心科学问题, 是合理、有效的选择2。

模拟方式从原理上可以划分为二种形式：

（1）运动法模拟微重力

运动法使物体按照特定的规律运动，让物体所受的重力几乎全部用来抵消惯性力或离心力，即重力全部用来提供物体运动所需加速度，以此消除重力影响，实现微重力模拟，运动法模拟微重力包括落塔法、抛物飞行法和探空火箭法等方式。

（2）力平衡法模拟微重力

力平衡法主要通过平衡力抵消重力影响，如利用气足支撑、中性液体浮力、吊丝配重、静平衡机构等方式抵消重力，模拟微重力环境，具体方法包括气浮法、水浮法、悬吊法、静平衡机构法、电磁平衡法等。

常用微重力模拟方法的优缺点（1）落塔法：微重力模拟精度高，可重复利用、安全可靠，且可进行三维空间的微重力实验。缺点是造价昂贵，被试设备尺寸受限制，微重力模拟时间过短，使得其应用受到很大限制。

（2）抛物飞行法：微重力模拟精度较高，可重复利用，也可进行三维空间的微重力模拟。缺点是造价昂贵，被试设备外形尺寸、重量受限制，飞行的安全性需考虑，微重力模拟时间短。

（3）水浮法：可实现三维微重力模拟，模拟时间不受限制。缺点是水的阻力和紊流会影响被试设备的动力学特性，影响空间环境模拟精度，被试设备必须进行专门防水处理，维护成本高，试验期间的密封性要求高。

（4）气浮法：微重力模拟精度高，建造周期短、成本低，易于维护，模拟时间不受限制，通过更换接口部件即可重复利用，可靠性高，具有很强的适应性。缺点是很难实现竖直方向微重力模拟。

（5）悬吊法：可进行三维微重力模拟，结构相对简单，易于实现，模拟时间不受限制，应用广泛。缺点是微重力模拟精度不高，支撑绳索的桁架机构复杂，占用空间大，绳索运动时所受摩擦力大，严重影响试验精度，主动式悬吊法易产生干涉，此外，绳索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等因素都会对微重力模拟带来不利影响。在已发展的多种微重力模拟技术中，悬吊法原理简单，使用灵活且可靠，成本低，应用广泛。为了减小对载荷的影响，尽可能地模拟载荷处于失重时的自由状态，悬吊装置应满足质量小、刚度低的要求3。

（6）静平衡法：结构精巧，易于实现，可实现多自由度微重力模拟，附加惯性效应小。缺点是微重力模拟精度易受弹簧刚度等因素影响，进行多维多自由度微重力模拟时机构非常复杂，适应性和通用性较差。