研究人员指南 ： 加速环境

加速环境国家航空航天局研究人员指南 ： 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 计划科学办公室出版。作者:凯文 · 麦克弗森 ， 美国宇航局格伦研究中心Kenneth Hrovat, ZIN Technologies and NASA Glenn Research Center Eric Kelly, ZIN Technologies and NASA Glenn Research Center Jennifer Keller, ZIN Technologies and NASA Glenn Research Center执行编辑 ： Amelia Rai 技术编辑 ： Neesha Hosein 设计师 ： Cory Duke盖和后盖:a.封面 ： 国际空间站绕地球运行。 (图片来源 ： NASA)b.封底 （ 上 ） ： SAMS 测量的频谱图 ， 显示 Velo 设备上机组人员锻炼的特征和特征。 （ 图片来源 ： NASA ）c.封底 （ 底部 ） ： 哥伦布 SAMS 测量的二维直方图 ， 显示由欧洲生理学模块机架打开与关闭创建的 60 Hz 以上的功率谱密度划分。 （ 图片来源 ： NASA ）2 实验室是开放的全速前进国际空间站 （ ISS ） 的质量超过 90 万磅 （ 400, 000 公斤 ），但几乎失重 ！ 这种近乎失重的状态是由于它在地球周围的连续自由落体状态，没有考虑少量的大气阻力。通过微重力加速度测量系统 （ MAMS ） 精确计算失重程度，该系统每周 7 天，每天 24 小时监控准稳态加速度环境。国际空间站为那些需要利用其独特环境的人提供了一个微重力研究平台。空间站宽超过 350 英尺 （ 109 米 ），有 3 个独立的主要实验室模块，每个模块的大小大约相当于一辆校车。每个实验室都有大量的设备，有些与科学操作有关，有些与生命支持有关。离心机、风机、泵、压缩机、结构弯曲等。所有这些都会在很宽的频率范围内产生微小的振动，这些振动由分布在空间加速度测量系统 （ SAMS ） 指定支持位置的传感器连续监测。这些 SAMS 测量以及 MAMS 的测量结果为研究人员，技术开发人员和结构分析师提供了完成工作所需的信息，无论是主要研究人员研究微重力下的流体或燃烧行为，还是跟踪 ISS 结构完整性的分析师。SAMS 传感器 （ SE - F02 ） 支持哥伦布模块中欧洲抽屉架附近的科学操作。(图片来源:NASA)3 44 5国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括基因表达的整体变化和细胞的 3 - D 聚集成组织样结构。2.极端条件在国际空间站环境中 ， 包括暴露于极端高温和低温循环、超真空、原子氧和高能辐射。暴露于这些极端条件的材料的测试和鉴定提供了数据 ， 使制造地球上使用的可靠组件以及世界上最先进的卫星和航天器组件。3. 低地球轨道倾斜 51 度和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。与典型的地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 这可以提供更高的空间分辨率和可变的照明条件。5 6目录实验室是打开3国际空间站研究的独特特点Environment5微重力的成分Environment7加速环境反馈模型18加速系统Description20加速数据档案馆25加速环境手册27加速度测量可用性29加速支持服务33主要情节类型35振动隔离37参考文献46首字母缩略词47 7Components of微重力环境诸如国际空间站 （ ISS ） 之类的任何轨道航天器的加速环境都不是像有时假设的那样真正的 “零 G ” 。这个流行的成语仅适用于飞行器的质心，这一点不一定是航天器结构的物理部分。构成车辆或以其他方式附接到车辆的所有剩余质量体将经历来自各种来源的加速度, 例如泵、风扇、推进器、大气阻力、旋转力等。这些加速度通常被称为干扰, 因为它们可能引入不期望的效应, 这些干扰主要通过车辆结构机械地传递或通过可居住模块内的空气声学地传递。ISS 加速环境的棱柱视图揭示了广泛的振动频率范围，从称为准稳态状态的相对较低幅度的低频部分一直到相对较高的频率，高幅度的振动状态。在没有任何额外的有效载荷振动隔离的情况下，ISS 加速度频谱的范围从低频端 （ 0.1 Hz ） 处的 micr - g 的量级到频谱高频端的 10 milli - g 以上。使用可用的 ISS 有效载荷振动隔离系统，可以将加速环境进一步降低多达 100 倍，以便有时满足 ISS 微重力要求。要考虑的加速环境的另一个方面是瞬态状态 ， 该瞬态状态与相对短暂且相对较高的加速度有关 ， 例如由车辆对接 ， 推进器点火甚至机组人员引入的加速度push - off or crew landing. These impulse events do not fall neatly into either the 准稳态 regime or the vibratory regime. When we consider its spectral分解 ， 我们看到这种类型的干扰对加速度谱的很大一部分有影响。为什么使用微重力标签 ？ 好吧，如果我们只考虑低频，低量级的加速度，那么我们注意到这些加速度大约是地球表面所经历的百万分之一 - 百万分之一，因此前缀 “微 ” 。“当然，这个标签过于简化，并不旨在完全表征国际空间站的动态加速环境。有关微重力环境加速组件的概述，请参见图 1 微重力环境组件。 8 图 1. 微重力环境组件准稳定制度准稳态状态由光谱下端 （ 低于 0.01 赫兹 ） 的加速度组成，其幅度小于微 g 。这些低频干扰与大约 90 分钟的 ISS 轨道速率相关的现象相关联, 并且主要是由于气动阻力和车辆旋转。施加在空间站上的阻力来自稀薄的大气层，即使在大约 200 英里的标称高度也存在。随着国际空间站穿越大气层的略微椭圆形轨道，整个过程中的热量变化，这种阻力会发生变化。更密集的部分产生更多的阻力并因此产生更高的加速度水平。在其标称姿态 （ XVV ZLV ） 中，施加在国际空间站上的气动阻力主要表现在与其轨道轨迹对齐的两个轴上。一个轴与局部垂直轴 （ Z 轴 ） 对齐，一个轴与速度矢量或行进方向 （ X 轴 ） 对齐。请参阅。图 2 空间站分析 (SSA) 坐标系这种姿态的描述和 SSA 坐标系的描述。重力梯度和旋转效应是塑造准稳态状态的关键因素。这两个因素都取决于相对于车辆质心的感兴趣位置。重力梯度分量图 2. 空间站分析 (SSA) 坐标系源于这样一个事实 9地球的引力拖船根据平方反比定律减小 ， 因此轨道结构的下部将从地球上获得稍强的拖船。旋转效应来自国际空间站保持的姿态。本质上 ， 空间站在每个轨道上翻滚或旋转一次。振动体制振动状态由上述加速度频谱中的振动组成0.01 赫兹。这些振动来自车辆、机组人员或实验相关设备的运动。车辆结构的无所不在的挠曲和弯曲 ，船员睡眠 / 唤醒周期，船员锻炼，湍流气流和旋转 / 往复机械是在塑造这种振动状态中起作用的一些干扰源。通常，随着所考虑的振动频率的增加，这些干扰的影响趋于更加局部化。诸如生命支持、热控制或通信所需的车辆子系统在这里产生显著的干扰。这些的影响主要是与干扰源的接近度的函数。以类似的方式，支持或在空间站进行科学调查所需的与实验有关的设备可以发挥重要作用，特别是对其附近其他有效载荷的干扰。车辆结构模式车辆结构模式位于加速度频谱振动部分的低频端。这些振动落在频率范围内大约 0.1 赫兹到大约 5 赫兹。这些振动是由与空间站结构的大型组件 （ 例如主桁架 ） 以及基本附属模式 （ 例如太阳能电池阵列 ） 相关的固有频率的激发引起的。这些结构通常由相对较大的幅度、相对短暂的脉冲事件 (如在再提升期间) 或由机组机车事件 (如推进) 激发。这种事件的驱动激励导致响应振动，因为结构振铃衰减。而且, 在恰到好处的频率下的相对小幅度的振动将引起结构共振。结构振动通过机械连接传播。虽然这些干扰的频率可以在整个空间站上被记录为相同的，但它们的幅度是位置的函数。由于空间站结构上的机组人员没有脉冲推进和着陆事件，因此在机组人员睡眠期间，相对于机组人员活动期间，结构模式振动的幅度往往较低。组装完成后 ， ISS 的第一个这种结构模式 ， 有时称为 “模式一 ” ， 标称约为 0.1 赫兹。 10图 3. 频谱图显示模式一 ， 船员突然过渡到唤醒。当机组人员睡觉时，模式 1 下窄带峰值的频谱幅度比美国实验室 （ USL ） 中的其他测量位置小大约一个数量级。图 3 中的频谱图显示了模式一，机组人员突然过渡到唤醒，将模式一显示为微弱的黄色水平轨迹，约为 0.1 赫兹，当机组人员在格林威治标准时间 （ GMT ） 06: 00 之后突然过渡唤醒时，该轨迹变得明显。相反 ， 图 4 中的光谱图显示了模式一 ， 船员在同一天缓慢过渡到睡眠 ， 显示了模式一以及其他结构振动在 GMT 21: 00 后逐渐减弱 ， 向较弱 （ 蓝色 ） 幅度过渡。在日本实验模块 （ JEM ） 和哥伦布模块 （ COL ） 中 ， 模式 1 在安静期间减少了大约两个数量级。除了模式 1 之外 ， 还有一组低于 5 赫兹的模式 ， 这些模式进一步表征了大型空间站结构的振动。这些与位置一起指出201000.15中位数 = 0.363 ug0.1 中位数 = 0.098 Hz0.05LAB1O1, ER2, 下 Z 面板上的 sams2, 121f03006: [191.54 − 40.54 135.25]142.0000 sa / sec (6.00 Hz)f = 0.002 Hz ， Nfft = 65536sams2, 121f03006Temp. Res. = 38.986 秒, No = 600001开始 GMT 09 - 2013 年 1 月 ， 009 / 00: 00: 00.007.Sum Hanning, k = 727 跨度 = 7.86 小时−60.9−70.80.7−80.60.5−90.4−100.30.2−110.1000:00−1201:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:00GMT 09 - 2013 年 1 月 ， 009 / hh ： mm来自: / misc / yoda / pub / pad, pims, 11 − 2013, 06: 55: 51.810foi (Hz)频率 (Hz)ugRMSPSD 幅度 [日志 (g2/ Hz)]10 11图 4. 频谱图显示模式一 ， 船员缓慢过渡到睡眠。空间加速度测量系统 (SAMS) 传感器捕获表 1 车辆结构模式部分列表中的这一持续振动集 * 。当考虑到结构模式的集中在大约 0.06 < f < 3 赫兹之间时 ， 重要的是要注意 ， 安装在 USL 中的 SAMS 传感器记录该波段中大约 20 到 30 ug 的均方根 （ RMS ） 加速度水平 ， 而安装在 JEM 和 COL 寄存器中的 SAMS 传感器水平接近 40 ug 。几何、结构动力学和传感器位置解释了这种差异。船员锻炼接下来 ， 在振动状态下 ， 我们检查船员锻炼。锻炼是船员日常工作的重要组成部分。除了促进健身外 ， 这项活动还旨在帮助防止与长期暴露于微重力相关的骨骼和肌肉损失。平均而言 ， 每个船员都计划进行大约2010中位数 = 2.881 ug00.15中位数 = 0.111 Hz0.10.05LAB1O1, ER2, 下 Z 面板上的 sams2, 121f03006: [191.54 − 40.54 135.25]142.