今天是第四個中國航天日。 

　　據(jù)央視新聞報道，中國載人航天工程辦公室傳來了令人振奮的消息： 

　　當(dāng)前，我國載人航天工程全面邁進(jìn)“空間站時代”，正在全力進(jìn)行空間站研制建設(shè)。2022年前后，中國空間站“天宮”將正式完成在軌建造任務(wù)，成為長期有人照料的國家級太空實驗室，支持開展大規(guī)模、多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實驗。 


中國空間站“天宮”（圖片來源：中國載人航天工程辦公室） 

　　中國空間站規(guī)劃了密封艙內(nèi)的空間實驗柜、艙外暴露實驗平臺以及共軌飛行的巡天光學(xué)艙，支持在軌實施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用項目。 

　　  

　　特殊的微重力環(huán)境 

　　一提到太空，大家就會浮現(xiàn)出航天員在空間站中飄來飄去的樣子，好像完全脫離了重力的限制，不過，這個時候在太空艙內(nèi)可不是零重力噢，空間站中此刻是屬于微重力狀態(tài)。 

　　什么是微重力呢？ 

　　按照“微重力”術(shù)語的英文“Microgravity”的原意，它是指該環(huán)境中的重力水平為地球表面處重力的百萬分之一，目前也有許多廣義的理解，把微重力理解為微小重力（或者說“低重力”），此時低重力的值通常為地面重力的萬分之一。 

　　那么，微重力條件如何形成的呢？ 


圖片來源：作者自制 

　　微重力環(huán)境下，地球上常見的物理現(xiàn)象會有什么不可思議的變化呢？ 

水變成了水珠 可以當(dāng)乒乓球打 

　　（圖片來源：http://www.sohu.com/a/217990314_269042） 

你要是一哭眼淚就掛在臉上 

　　（圖片來源：http://www.sohu.com/a/217990314_269042） 

喝水變成吃水珠 

　　（圖片來源：https://www.bilibili.com/read/cv158556/） 

　　這種現(xiàn)象就是物理學(xué)中所指的空間微重力物理效應(yīng)。 

　　空間微重力物理效應(yīng)泛指在空間微重力環(huán)境中不同于重力環(huán)境下基本物理效應(yīng)，主要包括液體和氣體由重力導(dǎo)致的自然對流基本消除、液體中浮力消失、由于物質(zhì)密度不同引起的沉浮和分層現(xiàn)象也消失等現(xiàn)象。 

　　那么，在這么特殊的微重力環(huán)境下能夠開展一些什么樣的科學(xué)研究呢？ 

　　  

　　微重力條件下的流體 

　　微重力流體物理研究微重力下流體（液體、氣體及其多相混合物）的流動、形態(tài)、相變的規(guī)律和機(jī)理。在微重力下重力引起的浮力對流、密度分層、沉降、流體內(nèi)部靜壓及壓力梯度等效應(yīng)基本消失，而一些次級效應(yīng)凸顯，流態(tài)和熱質(zhì)輸運表現(xiàn)出新特點。 

　　微重力流體物理研究的內(nèi)容包括界面現(xiàn)象、多相流、復(fù)雜流體等。這一領(lǐng)域的研究對發(fā)展先進(jìn)的空間流體管理、熱管理等航天技術(shù)有十分重要的作用，其研究成果對改進(jìn)地面石油、化工、制造等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)過程將做出積極貢獻(xiàn)。 

　　空間流體物理的主要研究內(nèi)容包括微重力流體動力學(xué)、兩相流、相變傳熱及其應(yīng)用研究、復(fù)雜流體等。 

　　舉個例子，我國天宮二號搭載的液橋液毛細(xì)對流實驗，對空間環(huán)境流體的流動和耗散機(jī)理的基礎(chǔ)研究，對人類認(rèn)識和掌握空間流體的運動規(guī)律有重要意義。 

圖：在天宮2號上生成的大尺寸液橋（圖片來源：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心） 

　　  

　　微重力條件下的材料制備 

　　不止是流體，材料科學(xué)在太空中也大有可為。 

　　在微重力條件下，基于地面材料制備的對流控制、擴(kuò)散機(jī)制、凝固過程和缺陷形成等不再適用。探索微重力條件下的材料制備過程能夠深入理解相應(yīng)物理規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題，研制出地面難以制備的新材料。 

　　微重力條件還便于實現(xiàn)樣品懸浮的無容器加工，為創(chuàng)造極端熱力學(xué)非平衡條件下的材料研究和準(zhǔn)確的材料熱物性測量提供了有利條件。微重力下可以研究金屬、非金屬和復(fù)合材料等幾乎所有材料，包括晶體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、磁性、記憶、熱電等各種功能材料，金屬合金、泡沫多孔和復(fù)合材料，以及陶瓷、玻璃等結(jié)構(gòu)材料。 

　　材料是國民經(jīng)濟(jì)的基石，新材料是所有高技術(shù)和高端制造業(yè)的基礎(chǔ)。空間材料科學(xué)是深入開展材料科學(xué)研究的獨特途徑，可能獲得地面難以生產(chǎn)的先進(jìn)材料和地面難以精確測量的重要參數(shù)，發(fā)展材料科學(xué)技術(shù)，為我國建立新的材料產(chǎn)業(yè)體系做出貢獻(xiàn)。 

　　空間材料科學(xué)領(lǐng)域包括兩個主要研究方向，一是在排除重力影響下研究材料的制備過程規(guī)律及材料的結(jié)構(gòu)和性能變化，二是空間應(yīng)用材料在高能粒子和紫外輻照、原子氧侵蝕、高低溫交變循環(huán)等空間環(huán)境下的使役行為。 

　　主要研究內(nèi)容有生長（凝固）界面穩(wěn)定性與缺陷控制，過冷、形核與晶體生長過程，相分離與聚集行為，高性能材料空間制備及工藝研究、熔體物理性質(zhì)測量與研究、材料在空間環(huán)境下的行為特性等。 

　　  

　　空間微重力資源是一種極其有用但在地球上不可獲得的稀缺資源，我國空間站發(fā)射升空之后，在太空環(huán)境中利用微重力條件進(jìn)行各項科學(xué)研究將為我國各領(lǐng)域科研與應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)。 


中國空間站密封艙內(nèi)的空間實驗柜（圖片來源：中國載人航天工程辦公室） 

　　  


中國空間站艙外暴露實驗平臺（圖片來源：中國載人航天工程辦公室） 

科學(xué)家們要把實驗室搬上太空了！

圖文簡介

摘要：今天是第四個中國航天日。據(jù)央視新聞報道，中國載人航天工程辦公室傳來了令人振奮的消息：2022年前后，中國空間站“天宮”將正式完成在軌建造任務(wù)，成為長期有人照料的國家級太空實驗室，支持開展大規(guī)模、多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實驗。一提到太空，大家就會浮現(xiàn)出航天員在空間站中飄來飄去的樣子，好像完全脫離了重力的限制，不過，這個時候在太空艙內(nèi)可不是零重力噢，空間站中此刻是屬于微重力狀態(tài)。