我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星——“實踐十號”已于2016年4月6日凌晨發(fā)射升空。　　據(jù)悉，“實踐十號”是專門用于微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)的實驗平臺，為我國空間微重力研究提供新的技術(shù)手段。


圖1 實踐十號微重力實驗衛(wèi)星外觀

　　按照計劃，實踐十號將在太空中利用特殊的空間環(huán)境展開19項科學(xué)實驗載荷任務(wù)研究，并將在軌完成科學(xué)實驗，其回收艙將在結(jié)束太空飛行后，把11個項目的實驗樣品帶回地球，探索宇宙中新的科學(xué)奧秘。同時，它也是我國已發(fā)射的科學(xué)實驗衛(wèi)星中，實驗項目和數(shù)量最多的一顆。　　目前，各國科學(xué)家致力于通過各種方式營造微重力環(huán)境開展研究，如拋物線飛機、探空火箭等實驗平臺，利用他們的自由飛行可以獲得幾十秒或幾分鐘的微重力環(huán)境。但如果想要進行長時間微重力科學(xué)實驗，就必須運用“實踐十號”這樣的科學(xué)實驗衛(wèi)星。　　作為我國首顆專門的微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星，實踐十號的獨特之處有哪些？實踐十號上又將進行哪些科學(xué)實驗？實踐十號的發(fā)射對于我國航天事業(yè)的發(fā)展有怎樣里程碑式的意義？　　我們特邀實踐十號衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)院微重力重點實驗室副主任康琦研究員，對這些問題進行了解答。


圖2 實踐十號衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、中國科學(xué)院微重力重點實驗室副主任康琦研究員

　　與眾不同的“實踐十號”　　康琦研究員表示，實踐十號衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)系列中第二顆科學(xué)實驗衛(wèi)星，它將充分利用太空中長時間的微重力環(huán)境和復(fù)雜的輻射環(huán)境，開展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究。　　實踐十號引人注目的重要特點，就是其承擔(dān)的科學(xué)項目多、涉及的領(lǐng)域廣，它總共承載著19項科學(xué)任務(wù)，其中微重力科學(xué)實驗項目有10項，包括流體物理、微重力燃燒和空間材料科學(xué)，剩余9項為空間生命科學(xué)實驗項目，涉及到流體、燃燒、材料等微重力科學(xué)領(lǐng)域以及輻射生物學(xué)、重力生物學(xué)、空間生物技術(shù)等空間生命科學(xué)領(lǐng)域。同時，作為一顆返回式衛(wèi)星它的特點也得到了充分的體現(xiàn)，比如對返回地球后的材料及生物樣品可以進行后續(xù)的處理和深入的分析，從而獲得珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。正是由于實踐十號具有這些顯著的特點，使其區(qū)別于普通的衛(wèi)星，具有與眾不同的重要價值。　　微重力環(huán)境研究——瞄準(zhǔn)最前沿　　據(jù)悉，“實踐十號”科學(xué)實驗項目從最初規(guī)劃至今，已走過了10年歷程，它是中國科學(xué)衛(wèi)星系列中唯一的返回式衛(wèi)星，也是承擔(dān)科學(xué)實驗項目數(shù)量最多的衛(wèi)星，為開展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究搭建起一個高效、短期、綜合的空間實驗平臺。康老師解釋道，長時間、高微重力水平，是微重力科學(xué)研究的一個基本要求，在這個環(huán)境中，浮力對流、重力沉降以及分層、靜壓力基本消失，航天器在軌飛行可以提供足夠長的微重力時間和良好的微重力環(huán)境，實踐十號的微重力水平可以達到10-3g（g為重力加速度），為空間科學(xué)實驗提供了理想的實驗環(huán)境，這就如同在太空中搭建了一個微重力實驗室。

　　作為我國首顆專門的微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星，它的發(fā)射將為我國微重力科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響，那么究竟什么是“微重力環(huán)境”？開展微重力研究又怎樣的科學(xué)價值？康琦研究員給出了答案。　　康琦研究員解釋說，微重力是一個比較專業(yè)的科學(xué)名詞，實際上就是我們所熟悉的“失重”。在任何一個空間中，當(dāng)其微重力水平達到了10-3g或者10-4g（g為重力加速度），就是處于明顯的“失重狀態(tài)”。　　位于北京國家微重力實驗室的百米微重力實驗落塔，是我國進行微重力研究的重要實驗設(shè)備，然而高度百米的落塔只能夠給科學(xué)家提供短短3.5秒的微重力時間，想獲得更長的微重力時間、進行更深入的研究工作，還是需要到太空當(dāng)中去尋找。　　衛(wèi)星在軌飛行時，提供了較長時間的微重力環(huán)境，這也為實踐十號所搭載的實驗項目提供了非常良好的實驗條件。在太空微重力環(huán)境下物質(zhì)運動以及生命活動有很多特殊的規(guī)律，而實踐十號衛(wèi)星中所搭載的科學(xué)實驗項目正是充分利用微重力環(huán)境的這些特殊性來開展科學(xué)實驗。　　以實踐十號科學(xué)實驗項目中有關(guān)煤的燃燒實驗為例，人類之所以要在太空中開展這種主要在地面應(yīng)用的實驗項目，是因為在地面進行的煤燃燒是一個多因素作用的結(jié)果，特別是浮力對流掩蓋了許多燃燒的基本過程，而在太空中我們把重力因素排除之后，其燃燒機制和特點、及物性參數(shù)的測量會發(fā)生怎樣的改變，這些研究成果對于提高地面煤燃燒的效率是非常有指導(dǎo)意義的。除此之外，實踐十號空間生命科學(xué)實驗項目中，有關(guān)于植物、動物以及現(xiàn)在醫(yī)學(xué)界的研究熱點——造血干細胞及胚胎發(fā)育的研究，對于未來空間科學(xué)的發(fā)展也具有深遠的意義，比如人類在太空中進行長期的駐留、甚至是進行太空旅行、太空遷移，這些科學(xué)實驗項目將提供關(guān)鍵性的科學(xué)依據(jù)。


圖4 煤燃燒箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　前無古人的創(chuàng)新　　康琦表示，實踐十號科學(xué)實驗衛(wèi)星所進行的微重力科學(xué)研究，包括基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用性研究，并帶有鮮明的中國特色，例如“微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究”就是要利用微重力環(huán)境，揭示中國典型煤種的單個顆粒和煤粉顆粒群在流動解耦、傳熱傳質(zhì)各向同性理想狀態(tài)下的著火、燃燒和污染物生成的基本規(guī)律，準(zhǔn)確獲得地面無法得到的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)展更完善的煤燃燒理論和模型；“微重力條件下石油組分熱擴散特性的研究”將有可能改良人類目前的原油分布預(yù)測精度；“微重力條件下非金屬材料燃燒特性的研究”則要觀察微重力條件下材料著火的規(guī)律，并與重力條件下的燃燒進行對比，從而推動中國建立自己的航天防火規(guī)范。


圖5 落塔實驗中觀察到的液滴進入微重力環(huán)境后外形的變化

　　空間材料研究的轉(zhuǎn)折點　　據(jù)介紹，在實踐十號返回式衛(wèi)星上，專門搭載了一個材料科學(xué)研究的多功能爐，在這個實驗儀器中將進行八種新材料、新工藝的研究，包括半導(dǎo)體材料、合金材料以及金屬材料。在地球表面，由重力效應(yīng)而產(chǎn)生的浮力對流、重力密度分層等現(xiàn)象，會對熔體材料生長過程產(chǎn)生極大的影響，出現(xiàn)不同程度的缺陷，材料的性能和質(zhì)量受到很大的影響。晶體生長和材料制備在現(xiàn)代通信及電子產(chǎn)業(yè)中有很重要的地位，而在微重力環(huán)境下開展晶體生長研究，可排除浮力對流和重力沉淀效應(yīng)的干擾。康琦表示，科研人員也將研究微重力環(huán)境下晶體生長和凝固過程，從而理解材料從熔體中形成的界面動力學(xué)，為改善地面晶體生長工藝奠定基礎(chǔ)。通過微重力環(huán)境抑制溶質(zhì)浮力對流，獲得地面重力場中難以生長的高質(zhì)量材料。通過此次實踐十號空間科學(xué)實驗研究，有望改善特殊材料的加工工藝過程以及促進新材料新性能的開發(fā)與應(yīng)用，為我國空間材料的發(fā)展做出新的貢獻。


圖6 實踐十號衛(wèi)星非金屬材料燃燒箱

　　作為我國首顆專門的微重力實驗衛(wèi)星，實踐十號上每一項科學(xué)實驗均經(jīng)過嚴(yán)格遴選、反復(fù)論證，前無古人的創(chuàng)新性研究將成為我國空間科學(xué)發(fā)展的重要契機，它承載著國人對于宇宙空間科學(xué)的求知欲望，探索更多不為人知的奧秘。　　航天大國補上空間科學(xué)短板　　康琦研究員表示，空間環(huán)境利用，是世界航天大國發(fā)展的基本點，包括空間技術(shù)、空間應(yīng)用和空間科學(xué)，除了注重空間技術(shù)與空間應(yīng)用的發(fā)展，航天強國更注重的是空間科學(xué)的發(fā)展。NASA（美國國家航天局）、ESA（歐洲航天局）在這方面取得的成果都非常突出。作為一個航天大國，我們在空間技術(shù)以及空間應(yīng)用方面做出了讓世人矚目的成績，但是從航天大國轉(zhuǎn)變成一個航天強國的時候，空間科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶋H是我們的一個短板。如果我們想要實現(xiàn)從航天大國向航天強國的轉(zhuǎn)變，通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)對世界的科學(xué)發(fā)展做出貢獻，空間科學(xué)的進步是必不可少的。　　作為一個發(fā)展中國家，在空間應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展空間科學(xué)，是我們的一個基本策略。我們國家近期也啟動了四顆科學(xué)實驗衛(wèi)星，作為其中之一的實踐十號主要利用了返回式衛(wèi)星這項先進的航天技術(shù)，完成微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)的相關(guān)實驗項目，與載人航天技術(shù)相比，具有成本低、微重力水平高等特點，通過及時返回對生物樣品進行分析和處理，取得眾多創(chuàng)新性成果。　　宇宙空間是人類最好的實驗室，同時占據(jù)了科學(xué)上宏觀和微觀兩個世界的前沿，發(fā)展空間科學(xué)將極大推動我國前沿基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。未來實踐十號有望挖掘出更多地面上被重力掩蓋的科學(xué)奧秘，并為航天工程與技術(shù)的發(fā)展提供強有力的科學(xué)支撐。我們也很期待，它將為人類帶回怎樣的“驚喜”。

 

中國首顆微重力實驗衛(wèi)星解讀

圖文簡介

我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星——“實踐十號”已于2016年4月6日凌晨發(fā)射升空……