低重力模擬器設(shè)計(jì)為空間研究和任務(wù)訓(xùn)練提供了新途徑

佛羅里達(dá)州塔拉哈西——隨著人類繼續(xù)探索宇宙，太空的低重力環(huán)境對(duì)科學(xué)家和工程師提出了不同尋常的挑戰(zhàn)。

FAMU-FSU 工程學(xué)院和總部位于佛羅里達(dá)州立大學(xué)的國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)了一種新工具來幫助應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)——一種新穎的低重力模擬器設(shè)計(jì)，有望為未來的太空開辟新天地研究和居住。

他們對(duì)基于磁懸浮的低重力模擬器的新設(shè)計(jì)可以創(chuàng)建一個(gè)體積比現(xiàn)有同類模擬器大 1,000 倍的低重力區(qū)域。這項(xiàng)工作發(fā)表在npj Microgravity雜志上。

“低重力對(duì)生物系統(tǒng)的行為產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，還會(huì)影響從流體的動(dòng)力學(xué)和傳熱到材料的生長(zhǎng)和自組織的許多物理過程，”機(jī)械工程副教授兼首席科學(xué)家郭偉說。在研究上。“然而，航天實(shí)驗(yàn)往往受到高成本和小有效載荷尺寸和質(zhì)量的限制。因此，開發(fā)地面低重力模擬器很重要。”

現(xiàn)有的模擬器，例如落塔和拋物線飛機(jī)，使用自由落體產(chǎn)生接近零的重力。但是這些設(shè)施通常具有較短的低重力持續(xù)時(shí)間，即幾秒到幾分鐘，這使得它們不適合需要長(zhǎng)時(shí)間觀察的實(shí)驗(yàn)。另一方面，基于磁懸浮的模擬器 (MLS) 可以提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括低成本、易于訪問、可調(diào)節(jié)重力和幾乎無(wú)限的操作時(shí)間。

但是傳統(tǒng)的 MLS 只能產(chǎn)生小體積的低重力。當(dāng)一個(gè)典型的模擬器模擬一個(gè)大約為地球重力 1% 的環(huán)境時(shí)，其功能體積只有幾微升，對(duì)于實(shí)際的空間研究和應(yīng)用來說太小了。

為了增加 MLS 的功能體積，研究人員需要一種磁鐵，可以產(chǎn)生均勻的懸浮力，以平衡大體積的重力。他們發(fā)現(xiàn)他們可以通過將超導(dǎo)磁體與梯度麥克斯韋線圈集成來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)——這種線圈配置最早由物理學(xué)家詹姆斯·克拉克麥克斯韋在 1800 年代提出。

“我們的分析表明，在直徑僅為 8 厘米的緊湊型線圈中，可以實(shí)現(xiàn)前所未有的超過 4,000 微升的功能體積，”該論文的合著者、博士生哈米德·薩納萬(wàn)迪 (Hamid Sanavandi) 說。“當(dāng) MLS 中的電流減小以模擬火星上的重力時(shí)，功能體積可以超過 20,000 微升，或約 20 立方厘米。”

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