一種基于電磁流體的載人航天器人工重力方案研究

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。

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