微重力区是怎么回事?

微重力区是怎么回事?

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微重力环境及应用
章登宏
(湖北荆州江汉石油学院基础部,湖北荆州 434102)
摘 要 从微重力概念出发,阐述了微重力环境的特点和物理原理,以及材料制备
利用的物理效应,介绍了在不同于地面上的空间微重力环境下材料加工、药物制备、种
子培育等方面的应用.
关键词 微重力环境；物理机理；材料加工
分类号 O 314
自然界中,存在四种基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用
和弱相互作用.它们有的在近距离内起作用,有的在远距离起作用.重力或引力是在远距
离存在的相互作用.重力对固体影响不大,因为固体内分子间的相互作用非常强,紧密结
合在一起；然而重力对于液体、溶液物质内部结构,能产生非常大的影响.
人类为了避免重力的影响,很早就开始实验提供微重力环境——利用人造卫星和航
天器等,研究制造性能与结构符合理想条件的材料与器件等.
当火箭、人造卫星、航天飞机等航天器力图摆脱地球的束缚,向宇宙空间飞行的惯
性离心力和地球的引力达到平衡时,航天器看起来不受重力,即视重为“零”,称此为
失重状态.但重力并非完全为零.由于控制航天器姿态等需使用发动机,会产生极微小的
重力,通常称此为微重力状态或环境.微重力状态的概念是和失重状态密切关联的.微重
力状态的实质是物质所受的许多力中重力的相对份额变得很少,微重力大小通常为10-4
g,微重力环境中的各种物理效应正起因于此.
在微重力环境下,能制造高纯度合金、半导体材料和太空特效药,能从事地球上难
以进行的各种工农业生产,给技术带来无法估量但肯定是极大的进步.

1 微重力物理原理
在任何一个非惯性系中,物体的惯性力与所在天体对它的引力近似平衡,使得其剩
余加速度——惯性加速度与引力加速度之差远小于地面处重力加速度,就称该物体处于
微重力作用状态,其剩余加速度就称微重力加速度,又称视重力加速度.
以绕地球运动的航天器为例,航天器的尺度和质量与地球相比均是微不足道的.航天
器除了在自由轨道上进行特定的机动飞行(如科学实验、轨道调整等)外,其质心均处于
无动力(惯性)运动状态,影响质心运动的外力主要来自地球的引力,即在地心惯性坐标
系内,航天器质心运动(惯性)加速度与该处的地球引力加速度非常相近.而从固定在航天
器质心的非惯性参考系来观察,质心所受到的惯性加速度与地球引力加速度相平衡,则
航天器质心处于失重状态.对航天器内部其它相对于非惯性参考系为静止的质点讲,随质
心运动时,具有质心的加速度.同时,质点相对于质心可能会有转动,但由于航天器的大
小、质量且自身转动角均十分有限,所以对质点产生的附加惯性加速度将很小,地球引
力对航天器内部其它质点产生的引力加速度与质心处的值应几乎相等.因此,对航天器内
部其它质点来讲,其所受到的地球引力与惯性力基本抵消,即质点处于失重状态.实际的
航天器在轨道上由于偏离自由漂移飞行模型和其内部物体的运动,严格来说,不可能完
全达到零重力状态,其剩余的重力加速度(地球引力加速度减去惯性加速度)的值很小,
航天器所处的这种状态称为微重力状态.微重力作用状态是要从固定在航天器上的非惯性
系来观察的.对于失重状态更深刻的理解,必须应用广义相对论的等效原理,即物体的某
邻域中引力场和加速度场的叠加场接近于零的状态称为微重力状态.
物体分子间的力可用伦纳德*琼斯势进行基本估算：U(r)=4ε(σ)/(r)12-(σ)/(r)
+6,分子间力与分子在地面重力场中受到的重力相比,大12～13个数量级.在微重力环境
中,两者相差达到16～20个数量级.微重力物理效应决不可能是由于分子力远大于重力而
发生的微观物理效应,而是一种宏观效应.

2 航天器微重力特征
航天器内的微重力环境指在固连于航天器的参考系中量度出的内部质点的视重力.一
个质点的视重力等于该质点的质量与视重力加速度的乘积.通常以视重力加速度作为衡量
微重力水平的标志.航天飞机在250 km的高度绕地球飞行时的视重力,约是g的10-6倍.如
果开动用来控制航天器姿态的发动机,或者人的活动,将产生微小的重力,因此可认为
达到10-4g的微重力环境.航天器内微重力水平范围是10-7～10-4g或10-7～10-3g.g为地
面处的重力加速度.
各种航天器产生的微重力物理机理是一致的,但微重力持续时间之长以及微重力如
此之小是其它非轨道(如表1的1、2、3、4)产生的微重力无法比拟的.
表1 各种手段的微重力水平和持续时间〔1〕
试验手段
微重力水平/g
持续时间
1 高塔落管投放 10-6～10-3 几秒
2 高空气球飞行 10-5～10-3 0.5～1 min
3 飞机抛物线飞行 10-3～10-1 几十秒
4 探空火箭 10-6～10-4 5～10 min
5 载人飞船、航天飞机 10-5～10-4 5～10 d
6 人造地球卫星 10-7～10-5 若干天到若干年
7 长期性空间站 10-7～10-4 长期
3 微重力应用
微重力环境指10-7～10-4g条件的重力环境,它摆脱了地面重力下无论如何也不可避
免的不良影响,可得到极大的好处.例如,将2～3种元素结合起来构成的合金的性能比单
元素的金属好得多,然而比重相差很大的元素制造合金,由于重力引起的沉浮现象,会
造成难混合金的宏观偏析,形成明显的分层.
在空间微重力环境下,气体或熔体中因重力驱动的自然对流和密度不同引起的沉浮
现象消失,因而可以通过将难混合金加热到临界温度以上的方法,得到地面无法制造的
各种混合均匀性能优良的合金.
锌的密度是铝的2.6倍,在地面上不能做成轻且刚性强的铝锌合金.而1983年在宇航
飞机“哥伦比亚”号上,成功地制造了铝锌合金.这种合金轻且硬、多孔质,结构坚固,
是制造飞机、火箭的良好材料,且有可能作为焊接用合金和超导磁铁的线圈材料.
70年代以来,世界各空间大国已在微重力材料加工、空间制药、空间生物学效应等
方面做了大量研究和开发.
3.1 材料加工利用的微重力
材料几乎都是固体的,固体材料的分子、原子是以很大的化学结合力集结的.固体材
料的机械强度和半导体性等性能,由材料内部的晶格结构确定.几乎所有的工业材料的这
种构造都是在材料加工时由液态或气态变成固体时确定的,这时重力对决定材料的晶格
的结构等产生非常大的影响.重力能使液体、气体中出现沉积、对流、浮力等现象,从而
在材料晶格结构中产生形变和缺陷,不可能显示符合理想值的特性.
在微重力环境中,产生了许多不同于重力场中的基本物理现象：液体中浮力消失,
导致物质密度不同引起的沉浮和分层现象也消失,物质混合和悬浮可以控制；液体为表
面张力束缚,浸润现象和毛细现象加剧；液体和气体中的自然对流基本消除,能量扩散
、质量扩散成为传递物质的主要过程；液体中不存在静压力等.微重力环境有不同于重力
环境的一些特点,它能通过影响材料由液态或气态向固态转变这个过程的某些部分以及
与该过程相联系的一些环节,使物质形态转变进行得更符合期望,为材料加工提供了极
优越的条件,被称为奇异的新“世界”.
各种材料提炼、制造利用的微重力物理效应是无重力对流、无沉积、无浮力、自约
束成形等,如表2所示〔2〕.

表2 各种材料加工工艺和物理原理
材料加工项目 加工工艺 微重力效应
晶体生长 区域熔化 无重力对流、自约束成形
定向凝固 无重力对流
高纯玻璃 澄清凝固 自约束成形
无接触加工
生物制品分离提纯 自由流动电泳 无重力对流
等电聚集 无沉积、无浮力
流体中加工 化学加工 无重力对流、无沉积、无浮力
物理加工
难混合金凝固、复合材料加工 等温固化 无沉积、无浮力
宇宙空间受重力等的影响极微小,物体没有“轻、重、沉、浮”之分,固体、液体
和气体能够“和平共处”.利用这种条件,为生产高性能材料、晶体生长、药物分离等提
供了极好的环境；还可以开发新产品、新工艺,并通过与地面现有生产方法和工艺的对
比,改进和提高现有工艺,效益是非常可观的.如：
1) 生产泡沫材料.利用无重力对流效应,当向熔化的钢水中充入气体(如氢气、氮气
等)时,液体内气泡不易分离,就能产生同普通钢一样坚硬、又能像泡沫塑料一样浮在水
面上的均匀的泡沫钢.用充气法还能生产泡沫铝、泡沫陶瓷等.
2) 开发新材料.利用无沉积、无浮力、自约束成形等效应,对密度、熔点、沸点等
性质相差很大的物质进行加工,可减少晶体的缺陷,得到性能优良的合金或化合物.如砷
化镓在微重力下加工将得到高质量单晶.
3) 无容器冶炼.利用自约束成形效应,液体或熔融金属在失重下不用放入容器,可
长时间稳定地浮在空中,能施加大量热能加热,且不会进入杂质,没有物质污染,能得
到高纯度、高性能的材料.
4) 制造理想的球状产品.利用自约束成形效应,微重力下的液体,表面张力和内聚
力非常大,将使液体表面积最小,可制造出椭圆度极小的滚珠.这种太空滚珠做成的轴承
,耐用性是普通产品无法比拟的.
5) 生物医学应用广泛.利用无重力对流、无沉积、无浮力等效应,对相对密度不同
的多种混合物,能将要得到的药物、疫苗、病毒等精密分离出来,纯度好、效率高.复杂
的骨折将能在宇宙医院里治愈.还可对处于微重力状态下的人体变化现象进行研究,对解
决人在太空长时间工作或星际航行具有重要意义.
3.2 微重力环境生产的产品
微重力环境是空间技术开发出的有广阔应用前景的极限条件下的物理技术,已能生
产多种产品：①玻璃、陶瓷类,如复杂形状物的成型、激光玻璃、泡沫玻璃、金属陶瓷
(金属与陶瓷的复合材料)等.②金属、合金、磁性材料,如超导线材、薄膜、磁性材料、
超合金、复杂形状的精密铸件、轴承用理想圆球等.③复合材料粒子分散增强材料、纤维
增强材料、晶须增强材料、单向疑固共晶合金等.④电子材料与器件,如硅等的元素半导
体、砷化镓及砷化铟等无缺陷单晶、强电介质、单晶薄膜、半导体器件、太阳能电池等
.⑤生物起源物质,如肽、蛋白和细胞、大肠杆菌等有益微生物.⑥太空特效药,如昂贵
的尿激酶、骨胶原、溶菌酶等〔3〕.⑦太空种子,如培育性能好、产量高的粮食作物、
经济作物、花卉等的优良种子.

4 国内外的微重力研究
国外从1969年开始,利用宇宙飞船、空间站、航天飞机等,在轨道上处于失重、超
洁净和高真空条件下,制造质量极高的晶体,对材料冶炼和加工得到特殊珍贵材料,生
产出了许多举世无双的天上产品,获利极其丰厚.
我国微重力研究从1986年开始,虽比国外晚,但也取得了举世瞩目的成就.利用回收
卫星进行过30多项材料科学和200多项生物学搭载实验.这些研究利用有限投资、选取最
佳目标,取得了预想成果,证明在微重力环境下,可获得晶体快速增长、无容器熔化、
高质量合金、高纯度活细胞分离、泡沫金属、植物种子等,并进行了生物医学的研究,
为空间制造业开辟了广阔前景.
开展微重力环境下的应用和研究,不仅具有重大科学意义,还有广阔应用领域,而
且潜在效益难以估量.微重力环境的研究和建设是一项高风险、高投入、高产出、高效益
开发空间资源,造福人类的伟大事业.