劉超鎮(zhèn)，盧 山，于學文，孫 玥，耿 淼

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

1 引言

現(xiàn)階段載人航天飛行能達到的最遠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)生的負面影響較小；但未來長期月球或更遠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（時間大于3個月）的航天員提供充分的保護［2］。

人工重力是在載人航天器上通過對整體或部分進行穩(wěn)定持續(xù)旋轉或線性加速以模擬重力的作用，對失重生理效應進行防護的一種措施［2］。人工重力不是單獨針對某個系統(tǒng)進行防護，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，人工重力的合理應用能有效解決骨丟失、心血管功能失調、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系統(tǒng)工作，無法實現(xiàn)長時間1g重力需求［4］。以旋轉方式產(chǎn)生人工重力主要有兩種思路：一是基于短臂離心機產(chǎn)生間歇人工重力；二是基于長臂旋轉航天器產(chǎn)生連續(xù)人工重力［5］。短臂離心機為達到1g人工重力，需要較高的轉速，這將導致航天員運動病或方向紊亂癥狀明顯。長臂旋轉航天器則具有較長的旋轉半徑，因此轉速相對較低。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。

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航天器［7］都采用航天器整體旋轉的方式產(chǎn)生人工重力，但其旋轉動力來自于推力器或核動力，存在以下缺點：

1）核動力技術難度大，存在安全風險。

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動的載人航天器人工重力新方案，利用電磁驅動航天器轉動，產(chǎn)生人工重力環(huán)境，克服傳統(tǒng)方式振動大、燃料預算高等缺點。

2 人工重力方案性能指標參數(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作用效果研究，俄羅斯科學家建議，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開展設計以滿足不同航天器約束下航天員對重力需求。

2.2 轉速

科里奧利力在轉速較低時影響可忽略不計，但在轉速達到幾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，離心機或旋轉航天器的最大轉速須有所限制?？评飱W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的旋轉航天器中，那么他頭部的旋轉半徑為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為2 m，旋轉半徑小于10 m，重力梯度將達到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60年代載人航天飛行的開始，確定旋轉環(huán)境的舒適標準一直在努力進行，期間公布了一些人工重力舒適度的指導方針［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、轉速和線速度的值確定。

圖1 重力大小與旋轉半徑、速度關系［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

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

圖2 電磁流體驅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的巨大圓環(huán)，內部腔體充有導電流體（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)境及設備儀器空間，四個生活艙沿中心軸對稱分布。

3）電磁驅動泵

太空船人工重力的動力來源。通過驅動流體環(huán)內液體流動產(chǎn)生旋轉角動量，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

電磁流體驅動的基本原理是：當導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 電磁驅動基本原理圖Fig.3 Operation principle of electromagnetic driver

磁流體驅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，采用直流傳導式驅動方式，其中磁場由永磁體提供。如結構圖4所示，電磁場垂直作用于磁流體腔，流體腔內產(chǎn)生電磁力即安培力，進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 電磁驅動泵結構簡圖Fig.4 Structural diagram of electromagnetic driver

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

3.3 參數(shù)設計

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

1）1g參數(shù)設計

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

2） 0.5g參數(shù)設計

與上述設計同等結構下，即取生活艙旋轉半徑為56 m，若在生活艙內產(chǎn)生0.5g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間，那么旋轉速度應為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，生活艙最小旋轉半徑為30 m，若在生活艙內產(chǎn)生0.5g的人工重力且滿足舒適域區(qū)間，那么旋轉速度應為3.8 rpm，則需要約3.7×107量級角動量。

3） 0.3g參數(shù)設計

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

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

4 人工重力設計結果分析

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)內液體采用鎵銦合金液態(tài)金屬，流體環(huán)內液體流速為式（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構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）相比電機方式

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

流體環(huán)方式相對于電機方式在功率、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)無大型機械驅動裝置，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

假設選擇比沖為3000 N·s／kg的推進系統(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）所需推進劑約為800 kg。假設干擾力矩量級為1 Nm，那么維持人工重力每年的推進劑預算為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場，模擬地球磁場環(huán)境，抵御空間輻射風險。

因此，對于短期載人航天活動，采用推力方式經(jīng)濟效益較高；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)濟性、人工重力穩(wěn)定性、生理防護等）較高。

5 結論

本文提出的一種基于電磁流體驅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)電機方式、推力器方式對比表明，基于電磁流體驅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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