首個(gè)航天日意義非凡 一窺天宮二號(hào)堂奧

出品：科普中國

制作：中國科學(xué)院力學(xué)研究所 康琦 段俐

      幻彩寶寶科普創(chuàng)新公社 武瑞雪

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

 

國務(wù)院日前批復(fù)同意，自2016年起,將每年4月24日設(shè)立為“中國航天日”。

中國設(shè)立第一個(gè)航天日，意義深遠(yuǎn)。今年我國在航天領(lǐng)域?qū)⒂幸幌盗小按髣?dòng)作”，特別是2016年下半年，我國即將發(fā)射天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，開展地球觀測(cè)和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的空間科學(xué)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，打造我國第一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室。

那么問題來了，天宮二號(hào)究竟什么來頭？我們?yōu)槭裁匆褜?shí)驗(yàn)室搬到太空里？在這個(gè)神秘的實(shí)驗(yàn)室中將進(jìn)行哪些神奇的科學(xué)實(shí)驗(yàn)？

 

空間實(shí)驗(yàn)室VS空間站

與普通的衛(wèi)星不同，天宮二號(hào)是承擔(dān)著科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的空間實(shí)驗(yàn)室。那么，什么叫空間實(shí)驗(yàn)室呢？

空間實(shí)驗(yàn)室，顧名思義，就是建造在太空中的實(shí)驗(yàn)室。

這種特殊的實(shí)驗(yàn)室由無人空間實(shí)驗(yàn)室和載人宇宙飛船兩部分組成。需要先發(fā)射無人空間實(shí)驗(yàn)室，然后再用運(yùn)載火箭將載人飛船送入太空，與停留在軌道上的實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接。接下來，航天員會(huì)從飛船中進(jìn)入空間實(shí)驗(yàn)室，開展工作，完成工作后再乘飛船返回地球。

遵循這一思路，我國建造空間實(shí)驗(yàn)室的第一步就是發(fā)射天宮二號(hào)，之后會(huì)發(fā)射長征七號(hào)/五號(hào)運(yùn)載火箭將神舟十一號(hào)載人航天飛船送入太空，與天宮二號(hào)對(duì)接,從而完成空間實(shí)驗(yàn)室的建造。

 

 

圖1 天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室模型

 

那么，空間實(shí)驗(yàn)室與空間站又有什么區(qū)別呢？天宮二號(hào)發(fā)射以后是不是意味著我國即將擁有空間站了呢？

事情當(dāng)然沒有那么簡單：空間站是指可供多名航天員巡訪、長期工作和居住生活的載人航天器。比較著名的空間站包括前蘇聯(lián)發(fā)射建造的禮炮系列空間站（據(jù)說,因?yàn)楫?dāng)年美國先于前蘇聯(lián)在月球上插了國旗，霸氣的前蘇聯(lián)大哥就一氣之下建造了人類歷史上第一座空間站）與和平號(hào)空間站，以及由美國、俄羅斯、日本、加拿大、巴西和歐洲空間局（ESA）共同建造的國際空間站（果然是“人多力量大”，這也是目前人類擁有過的規(guī)模最大的空間站）。

空間站最大的特點(diǎn)就是規(guī)模和體積龐大、在軌運(yùn)行的時(shí)間久，比如鼎鼎大名的國際空間站至今已經(jīng)為人類工作了16個(gè)年頭。

 

 圖2 國際空間站

 

而空間實(shí)驗(yàn)室更像是空間站的前身，是為發(fā)展空間站，從載人飛船過渡到載人航天基礎(chǔ)設(shè)施的試驗(yàn)性航天器。也就是說，空間實(shí)驗(yàn)室是為建造復(fù)雜程度更高的空間站所做的準(zhǔn)備工作。

理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室是建造空間站的重要前提和技術(shù)保障。空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射，可對(duì)空間站的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取經(jīng)驗(yàn)，降低風(fēng)險(xiǎn)，為建造空間站打基礎(chǔ)。所以，天宮二號(hào)的即將發(fā)射，并不能意味著我國即將擁有屬于自己的空間站了，只能說將會(huì)為建造空間站奠定良好的基礎(chǔ)，空間實(shí)驗(yàn)室并不等同于空間站。

 

天宮二號(hào)上“不明覺厲”的太空實(shí)驗(yàn)

天宮二號(hào)作為我國首個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，搭載的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)到了史無前例的14項(xiàng)，它也即將成為我國“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)室。

能夠拿到登上天宮二號(hào)的“入場(chǎng)券”，這些實(shí)驗(yàn)無疑都屬于當(dāng)今世界最前沿的探索領(lǐng)域。比如，中科院力學(xué)所此次承擔(dān)的“熱毛細(xì)對(duì)流”研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目將同時(shí)搭建太空和地面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，天宮二號(hào)熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所康琦研究員對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了解釋。

 

 圖3 天宮二號(hào)熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所康琦研究員

 

首先，什么是熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象呢？

康琦研究員解釋說，熱毛細(xì)對(duì)流，是一種與流體表面或者界面相關(guān)的熱對(duì)流現(xiàn)象。眾所周知，在流體的交界面上存在著分子與分子之間的相互作用力，也就是表面張力，而隨著溫度的變化，表面張力的大小也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。所以，當(dāng)流體交界面上的溫度分布不均勻時(shí)，就會(huì)造成在不同的位置表面張力的大小不同，從而形成驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的現(xiàn)象，就是熱毛細(xì)對(duì)流。地面晶體生長受浮力對(duì)流的影響而產(chǎn)生缺陷，空間晶體生長受熱毛細(xì)對(duì)流影響，缺陷也時(shí)有發(fā)生。研究熱毛細(xì)對(duì)流問題在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于提高結(jié)晶晶體的質(zhì)量具有重要意義，比如我們想生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，就要科學(xué)控制單晶硅在晶體生長過程中浮力對(duì)流和熱毛細(xì)對(duì)流的影響。

 

圖4 熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象原理示意

 

圖既然熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象廣泛存在與實(shí)際生產(chǎn)和生活當(dāng)中，那又為什么一定要不遠(yuǎn)萬里到太空中研究熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象？

答案是由于太空特有的微重力環(huán)境。

我們都知道，在太空中物體是幾乎不受重力作用的，微重力環(huán)境也就是指重力接近于零的環(huán)境條件。在這種條件下，浮力對(duì)流將會(huì)大大減小，那些影響我們研究熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象的阻礙因素都會(huì)被無限縮小，也就是說可以將熱毛細(xì)對(duì)流的真實(shí)過程進(jìn)行真實(shí)地展現(xiàn)，從而有利于科學(xué)家進(jìn)行更加深入的剖析和探索。

所以說，不遠(yuǎn)萬里把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目送入太空完成，絕不是在浪費(fèi)納稅人的錢，而是為了看清熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象的“真面目”。

 

 圖5 天宮二號(hào)液橋熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目部分實(shí)驗(yàn)裝置

 

同樣的實(shí)驗(yàn)為什么天上地下各做一遍？

前面提到，除了隨天宮二號(hào)“上天”的實(shí)驗(yàn)裝置，在地面還預(yù)先設(shè)置了相同的實(shí)驗(yàn)裝置，同樣的實(shí)驗(yàn)做兩遍又是什么原因呢？天宮二號(hào)熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所段俐研究員對(duì)此作出了解答。

段俐研究員解釋道，由于空間實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)少、成本較高，而且熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象與其影響因素之間的關(guān)系并不是用簡單公式就可以準(zhǔn)確描述的，所以需要進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)，為空間實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供科學(xué)合理的參考范圍。此次實(shí)驗(yàn)中，空間實(shí)驗(yàn)室與地面實(shí)驗(yàn)室所采用的實(shí)驗(yàn)裝置是相同的，即一種叫做“液橋”的實(shí)驗(yàn)儀器。

 

 

圖6 液橋?qū)嶒?yàn)裝置示意圖

 

上圖是液橋模型的簡要示意，液體位于上下兩個(gè)橋柱之間，控制上下兩個(gè)橋柱之間的溫度差，在液體內(nèi)部形成熱毛細(xì)對(duì)流。

但是，由于重力的存在，地面實(shí)驗(yàn)無法建立大尺寸的液橋模型，通常采用小尺寸（4-5mm直徑）液橋，但依然受到浮力對(duì)流的影響，這也是科學(xué)家要將其送入太空研究的原因。地面實(shí)驗(yàn)為太空實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考，太空實(shí)驗(yàn)完成地面實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的范圍，二者相輔相成，缺一不可。

 

 圖7 天宮二號(hào)熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所段俐研究員

 

 2011年，天宮一號(hào)的成功發(fā)射讓億萬華夏兒女熱血沸騰，如今天宮一號(hào)“功成身退”，天宮二號(hào)即將“接力上崗”，并將開創(chuàng)中國空間應(yīng)用技術(shù)的新紀(jì)元。

 2016年作為我國“十三五”的開局之年，除了天宮二號(hào)，長征七號(hào)/五號(hào)火箭、天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船也將于今年陸續(xù)發(fā)射，在此基礎(chǔ)上，中國將在2020年前后建成永久性空間站，并在2022年全面運(yùn)行。隨著科技實(shí)力的不斷增強(qiáng)，中國正在實(shí)現(xiàn)由航天“大”國到航天“強(qiáng)”國的華麗轉(zhuǎn)身。讓我們一起期待。

 

“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。

本文由科普中國移動(dòng)端出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

 

首個(gè)航天日意義非凡 一窺天宮二號(hào)堂奧

圖文簡介

國務(wù)院日前批復(fù)同意，自2016年起,將每年4月24日設(shè)立為“中國航天日”。