失重和月面重力模拟设备

轨道上的飞船处于失重（无重力）状态。月球表面的重力则只相当于地球表面重力的1/6。在实现载人航天和登月之前，有必要探讨人在失重或低重力状态下的生理反应、作业能力、活动方式与限度等问题，以为工程设计和医务保证工作提供科学依据。在地面条件下创造模拟失重或模拟低重力环境条件，进行科学实验与航天员训练，现已积累丰富经验。从技术、费用和安全上讲，许多涉及探索人在失重和低重力下的课题，也不可能都在实际航天条件下进行，而需充分利用低重力模拟设备解决。随着载人航天事业的发展，在地面模拟条件下训练航天员掌握出舱活动、学习大型构件装配和复杂的空间维修技术，仍然是行之有效的途径。
在地面模拟失重或低重力状态的设备和方法有： 失重实验飞机、失重塔、中和浮力模拟池、无摩擦力模拟台、月面重力模拟器和月面着陆模拟器等。
失重实验飞机 1950年美国空军航空航天医学校最先用飞机作抛物线飞行成功地创造了30秒失重状态。1951年在美国Edward空军基地实现了用飞机进行失重状态下的人体实验。飞机作零G抛物线飞行(即Keplerian抛物线飞行)时，先按一定角度俯冲达到所需预定速度，随即以一定G值爬升至规定攻角方向，然后推杆而向前飘行完成抛物线飞行轨迹(图1)。在抛物线飞行阶段，机翼基本上没有升力，飞机不是被空气支托，机上人员也不受飞机支托，使飞机和机上人员处于零重力，也即处于失重状态。这种方法可供失重研究和在失重条件下体验训练之用。

图1 失重实验飞机抛物线飞行轨迹图

将飞机改装成失重实验飞机时，应严格考虑安全问题，改装项目应力求简单可靠。针对失重状态力学特点，改造项目应包括以下内容：
❶改造供电系统，保证电源的可靠性。机上蓄电池帽盖紧闭，防止失重时电池液外溢。
❷改装液压系统和减速机构，以便在抛物线阶段使用。
❸改造润滑系统，保证正常润滑。
❹改造燃料系统，保证有足够泵压输送燃料。
❺大中型机舱的内壁和舱内突出部位蒙上用低静电防火材料制成的柔软衬壁，小型飞机座舱盖之下要加装防碰网。
❻改装加速度指示装置，安装零G指示仪。将三个轴线互相垂直的加速度传感器安装在飞机重心处，仪表的三个轴线应同飞机的X、Y、Z轴线一致。传感器输出应在仪表板上显示。
根据所用实验飞机结构性能和飞行参数的不同，由此类方法可产生为时十几秒到数十秒钟的失重状态。如C131-B飞机为15秒，KC-135为35秒，F-104A为80秒。KC-135飞机作一次起飞着陆飞行，可在空中接连完成数十次抛物线飞行，累计失重时间可达20～30分钟。图1表明，每次失重前、后要经历约2G的正加速度影响，是其不足之处。用火箭推进的亚轨道工程研究飞机X-系列的失重时间可长达数百秒，但已不属失重实验飞机之列。
失重塔 利用自由落体的物理学原理也可产生低重力或失重状态。当物体从高处自由坠落时，即有相应惯性力抵消其重力作用，如果下落加速度达9.81m/s2，则物体重量完全消失而进入失重状态。物体被高速抛出后进入减速阶段，也产生相应的惯性力抵消重力。德国于1939年最先利用JU-89飞机垂直俯冲以产生近于自由坠落状态，使舱内乘员受到数秒钟低重力的作用。“人用失重塔”则是利用自由落体原理模拟失重状态的专门实验设备，有多种设计方案，但失重时间过短，最长不过2～3秒，用途有限。五十年代后期曾建成简易的“人用亚重力塔”，塔架高约14m，利用塔架的设备可使坐在塔架内座椅上的受试者连续数次受到上、下方向的振荡作用，交替蒙受亚重力和超重的作用，累计失重时间达4秒钟。有一个专供工程研究用的“失重井”，井的直径6m，深入地下155m，将井内气体抽出减压到2mmHg，以排除一般失重塔自由坠落所产生的空气阻力，容器单程下坠失重时间约5秒。此设备不能用于人体实验。
中和浮力模拟池 中和浮力模拟池设备可使浸在池中的人体所受到的总压力（浮力）与其自身的重量相等，受试者有如处于失重环境之中。本设备可供人体实验和训练航天员出舱作业之用。
中和浮力模拟池大小不一，方圆皆可。有的大型模拟池直径23m、深度12m，能容纳原型模型飞船及其他大型构件。受试者和将由他在水下移动装配的大型构件，可捆扎配重，调节到中和浮力。水下呼吸供氧可采用自给型潜水呼吸器、航天服、或戴上紧密面罩解决，而由池外供气，供气压力同浸水深度相适应。还可通过专门设计的呼吸器膜盒机构，在正常呼吸周期内自动补偿，保持相对恒定的肺容量而更好地稳定中和浮力。池内液体可用调温(一般约30℃)清水。只作生理实验的小池也可用1～2%的NaCl溶液。要常消毒和过滤，保持清洁。池上装有强照明灯，以照亮池底。水池要高出地面，以便在池壁设置观察窗。设有水下通话系统。用水下照像机和水下电视摄像机照相。实验时，可以在水下实时采样和记录。用恒力性系带系留受试者，配快动作锁扣，以能快速解脱。
由于水静压阻力和阻尼作用，水下环境不利于快速大距离位移运动，但活动速度在0.3～0.6m/s间的模拟是逼真的，适合于进行精细操作、定向定位、出舱活动和训练安装作业技能等有关实验。在美国双子星座计划中，曾对比中和浮力模拟和实际航天出舱活动的情况，表明水下模拟实验对设计出舱活动程序和航天员的训练是有效的。后来继续利用此装置探索在宇宙空间制作、安装巨型航天器大型构件的方式，并对航天员进行有关训练。
国外曾研制可旋转的卧式密封中和浮力模拟舱，认为受试者在该舱内水中随适度旋转的舱同轴、同步旋转，其耳石纤毛的摆动可被周围的胶质层所衰减，使耳石处于静止状态，造成更近似真实失重状态的航天感。由于舱的容积不能太大，实验范围有限，而且把人密封在充满水的旋转舱内，其安全救援问题极为复杂，该项设计未见采用。

图2 航天员在中和浮力模拟池内围绕双子星座11号模型进行舱外活动模拟实验
无摩擦力模拟台 无摩擦力模拟台属机械式零重力模拟装置。其特点是，活动构件利用气垫、气轴支托，基本上消除了摩擦力。通过严密设计和精密加工，制成自由度数目不等的无摩擦力模拟台或气浮台。悬浮在多自由度模拟台或气浮台上的受试者，如果使用扭力型手工具扭动台外的工件时，自己反被扭开，反映出在失重无摩擦力环境下作业的特点。在早期载人航天计划中，曾使用这类模拟台验证工程设计概念，评定专用工具性能，训练航天员操作技巧。以及测试不同作业下人的工作效率和能量消耗等。
图3 所示为六十年代建成的一座人用多自由度无摩擦力模拟台，台高4.6m，自带气源容器。其自由度运动包括前后左右，垂直上下，偏航，滚转和俯仰。该模拟台被放置在光滑如镜面并有同地球半径相似曲率的表面上。将受试者固定在模拟台最内框(Y轴)上，精确调节体位，使身体重心正好穿过模拟台的X、Y轴，便可在无摩擦力场中对台外工件进行各种操作实验。据报道，设备运动的灵敏度极高，只需极轻微的外力，就可以克服其惯性而开始任何轴向的运动。
无摩擦力模拟台运行平稳、安全，实验准备时间较短，所需实验人员较少。缺点是受结构限制，活动范围小，尤其升降距离有限，因而对需要较大幅度升降的实验作业，必须分解为若干阶段进行，而在中和浮力模拟池内则可以一次完成。
悬索式月面重力模拟器 悬索式月面重力模拟器是用悬索悬吊倾斜的身体以平衡其5/6体重，用以模拟月球表面上只有1/6地面重力条件的一种简便实验设备。基本结构由高架的单轨、活动辘车、回转吊钩、悬索以及地面的斜踏板等所组成。受试者头、胸、臀部和四肢佩戴近似跳伞用的装具，被与垂线作9°30′夹角的悬索吊起，身体纵轴同悬索相垂直，两脚站在与悬索同一斜度的踏板上。按照力学原理，此种情况下悬索负担体重的5/6，脚底与踏板之间的反作用力就相当于体重的1/6。受试者身体的各悬吊点中，以躯干分担最大分量。头部和四肢的悬索采用适度拉伸低弹力带，胸部悬索可加设一节弹簧，以使悬吊均衡，调节自如，活动时少受拘束。受试者经过短期熟悉阶段，便不会感到悬索的束缚。单轨与踏板之间的距离不宜太短(一般大于10m)，使受试者作较大幅度运动时悬索夹角变化不大，摆端弧线也接近直线，低重力值变动小。当受试者的身体为侧卧时，可以俯仰、下蹲和跳跃；将斜踏板改为跑台，并使受试者转向90°，面向上方，则可以作滚转和上下坡走动。在登月之前，航天员可着常服或航天服在这种模拟器上进行训练和测量能量消耗。改变模拟器悬索的夹角，就可以模拟相当于其它星体表面的低重力条件。

图3 无摩擦力模拟台

此外，用失重实验飞机也可以模拟出十数秒钟的月球表面重力条件：在飞机作抛物线飞行的推杆阶段，调节驾驶杆前推程度控制机头俯仰姿态，即可以使飞机飘出较失重抛物线轨迹稍高和持续时间稍长的轨迹线而模拟出月面重力状态，精度达到±0.005～0.025G。
航天员登月前还须用月球表面着陆模拟器进行训练。模拟器上的小喷气发动机支撑模拟器自身和航天员总重量的5/6，航天员操纵能支撑其余1/6重量的小火箭喷管即可练习在月面上着陆。模拟器的外形、内部布局和燃料携带量，同真正登月舱一样，还可预先编排各种故障项目，用以对航天员进行认真训练。