中國將打造太空"超級實驗室建設(shè)"

 

提到實驗室很多人會認為是在一個場所建立一個房子而已，如今有誰想到實驗室能“搬遷”至天上呢?偉大的壯舉就交給中科院吧，中國將完成實驗室歷史上跨時代意義的項目，實踐十號衛(wèi)星已經(jīng)在酒泉發(fā)射中心發(fā)射成功，它將為人了作出絕大貢獻，主要表現(xiàn)在一下幾個方面：

為這些實驗提供場地的是一顆放大版的“子彈頭”。它的全名叫實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星，是我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星。4月6日凌晨，它在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運載火箭發(fā)射升空。為了打造這個太空“超級實驗室”，中國已經(jīng)準備了10年，是中科院空間科學先導專項首批立項研究的科學衛(wèi)星中準備時間最長的。

6大領(lǐng)域、19項實驗，這是中國迄今為止單次空間微重力和生命科學實驗項目及種類最多的空間任務(wù)。更重要的是，這些實驗都是國外沒有開展過的，因此極有可能孕育重大學術(shù)突破。

那么，這些實驗將怎樣改變我們的生活？作為中國空間先導專項“四先鋒”中的“老二”，實踐十號有哪些絕活兒？中國將在2020年前后建成永久性空間站，為何又要打造這種可返回的太空“實驗室”呢？

 

①揭開地球重力場掩蓋的面紗

地球上的物理現(xiàn)象都受到地球重力的制約，比如浮力、沉降等。“地球重力場是蓋在物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律上的面紗，不揭開就無法看到很多問題的本質(zhì)。”中科院國家空間科學中心主任、空間科學衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。

對科學家來說，宇宙空間就是一個很好的實驗室。在太空環(huán)境下，重力或其它外力引起的加速度約為地球的百萬分之一，是一個近乎失重的環(huán)境，而且太空中充斥太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射時產(chǎn)生的太陽高能粒子，高能量、穿透性強的銀河宇宙射線等，能觀察到很多地球上不可能觀測到的獨特現(xiàn)象。

需要說明的是，航天器或者人類在太空中的“失重”并不等于“零重力”。通常來說，航天器在太空中飛行時，由于只受地球、月球、行星、太陽等天體的引力作用，航天器及其內(nèi)部的物體的確處于失重狀態(tài)。但這只是一種理想狀況，因為航天器內(nèi)的物體并不都在航天器質(zhì)心位置，有時航天器的旋轉(zhuǎn)或發(fā)動機工作也會產(chǎn)生推力。在這些情況下，航天器及其內(nèi)部的物體會有微小的重量或者產(chǎn)生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，這種作用力稱為“微重力”。

衛(wèi)星里物體的重力有多“微小”呢？航天科技集團五院實踐十號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師趙會光表示，這方面，俄羅斯返回式衛(wèi)星已達到百萬分之一的技術(shù)指標，實踐十號整體重力優(yōu)于萬分之一，部分時段或位置已達到百萬分之一，能提供一個高效、短期、綜合的微重力空間實驗平臺。

②為人類走向太空鋪路

實踐十號衛(wèi)星將開展的這19項科學實驗，涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射效應(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)等6大領(lǐng)域。其中，8項流體物理和燃燒實驗將在留軌艙內(nèi)進行，另外11項科學實驗將在回收艙進行。歐洲空間局和日本宇宙航天研發(fā)機構(gòu)各參加了一個科學實驗項目。

正如該衛(wèi)星首席科學家胡文瑞院士所說，“我們絕不會重復別人的實驗。”細數(shù)這些實驗，各項都堪稱“高大上”。它們是從200多項申請中精挑細選的，國外還沒有進行過的，“這就意味著重大科學突破的可能。”

例如，要實現(xiàn)未來人類的星際移民，基礎(chǔ)研究是弄清楚像人類這樣的哺乳動物在太空能否正常繁殖。幾年前，日本研究人員曾在美國網(wǎng)絡(luò)科學雜志《科學公共圖書館·綜合》上發(fā)表報告稱，在太空微重力等環(huán)境下，哺乳動物正常的胚胎發(fā)育可能會受到阻礙，因此繁衍難度較大。迄今為止，在空間微重力實驗條件下，成功進行哺乳動物早期胚胎發(fā)育體外研究的報道并未出現(xiàn)。

為此，實踐十號首次把小鼠早期胚胎帶上了太空。中科院動物所研究員段恩奎說：“我們以小鼠細胞胚胎為研究對象，對其進行培養(yǎng)并顯微實時跟蹤觀察，看它在微重力環(huán)境中能否繼續(xù)分裂到8個細胞、16個細胞……觀察在微重力情況下，哺乳動物胚胎能否和在地球上一樣正常發(fā)育。”此外，實踐十號還有望將這一發(fā)育過程拍攝下來，這也是世界首次。

要進行更長時間的載人空間飛行，航天器艙內(nèi)防火是大事。微重力環(huán)境比地面更容易著火，而且著火點不易發(fā)現(xiàn)，很難撲滅。對此，美國阿波羅13號飛船、俄羅斯的和平號空間站都有過慘痛教訓。

中國將在2020年前后建成有人長期值守的空間站，防火問題就凸顯出來了。在這一過程中，哪些材料能用？哪些材料不能用？如何發(fā)現(xiàn)火情？怎么滅火？這一系列問題都要靠大量的太空實驗來解決。

此次實踐十號計劃開展的“導線絕緣層著火實驗”和“典型非金屬材料著火實驗”就是要在衛(wèi)星內(nèi)“燒上幾把火”，觀察微重力條件下特定材料的著火和燃燒的特性，并與重力條件下的燃燒進行對比。

此外，為了研究空間輻射對基因組的遺傳效應(yīng)影響，果蠅也被“請”上太空。為了研究太空輻射引起的生物基因組變化，實踐十號攜帶了水稻種子、擬南芥種子和線蟲進行觀察；另外還攜帶1000多只家蠶，其中一些將在太空中孵化。太空環(huán)境會使它們產(chǎn)生一些顯著的變異，我們能從中篩選出一些有用的變異，并保留下來。

 

 

 

③這些實驗將改變?nèi)藗兩?/span>

還有一些實驗不得不提，因為它們或許將改變?nèi)藗兊纳睢?span lang="EN-US">

例如，現(xiàn)在各大城市深受霧霾之困，燃煤是一大原因。近些年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國火電占比達70%到80%，其中大部分靠燃煤發(fā)電。

此次實踐十號搭載了煤燃燒實驗項目。中國科學家們選擇了3種我國的典型煤種，在實驗裝置中點燃，觀測不同爐溫、不同煤種、不同粒徑和環(huán)境氣體成分條件下的單個球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒全過程，并記錄下火焰形狀、顆粒表面變化、揮發(fā)和釋放現(xiàn)象等，試圖完善燃燒的理論和模型。

航天科技集團五院總體部返回式衛(wèi)星專家高振良表示：“如果把燃燒研究透，我們就可以把燃煤的效率提高，切實減少空氣污染。”

由于全球石油開采量越來越高，找油成本也隨之增加。其實，油田中的石油分布和油氣界位置是存在規(guī)律的，這需要科學家們研究清楚石油的熱擴散效應(yīng)。然而，在地面常重力條件下，科學家們無法獲得不受對流干擾的理想熱擴散過程，因而難以得到相關(guān)的準確數(shù)據(jù)。此次實踐十號衛(wèi)星搭載了中歐合作研制的儀器設(shè)備和各種石油樣品，或許兩周之后科學家們能獲得驚喜。

此外，實踐十號還將開展晶體生長實驗，以研制滿足現(xiàn)代微電子工業(yè)需要的高質(zhì)量半導體和合金材料；開展膠體有序排列及新型材料研究實驗，有望獲得大尺寸、高品質(zhì)的金屬納米晶體等。

④這個實驗室渾身是寶

從上世紀80年代后期，我國就開始利用返回式衛(wèi)星做微重力科學實驗，但都是搭載在其他用途的衛(wèi)星上。實踐十號是第一顆專門為進行微重力科學和空間生命科學研究而發(fā)射的衛(wèi)星。

這顆衛(wèi)星整體為柱錐組合體形狀，像一顆放大版的子彈頭，高約5.2米，直徑超過2米，“肚子”里裝了19項實驗所需的29個鋁合金箱子，總重量近600公斤。

作為中國打造的新一代返回式太空“超級實驗室”，實踐十號的問世歷經(jīng)10年之久，是中科院空間科學先導專項中準備時間最長的科學衛(wèi)星?？茖W家們在上面安裝了很多新設(shè)備和新系統(tǒng)，讓這顆衛(wèi)星變得渾身是寶。

首先，“身子骨”很硬。據(jù)該衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師趙會光介紹，為了控制回收艙返回大氣層時產(chǎn)生的高達幾千度的熱量，科學家對回收艙熱控系統(tǒng)進行了更改，同時為艙體制備了防摩擦和耐熱的特殊材料，能把大量的熱量迅速帶走，練就了衛(wèi)星的“鋼筋鐵骨”。

其次，“體型”更輕盈。相比老一代返回式衛(wèi)星的“身寬體胖”，實踐十號擇優(yōu)選用了近年來研制的各類高精尖產(chǎn)品。例如一體化紅外地球敏感器、一體化太陽敏感器等，它們都是構(gòu)成實踐十號控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng)的核心設(shè)備。實踐十號控制系統(tǒng)主任設(shè)計師戰(zhàn)毅說：“通過一體化、高集成度的設(shè)計方式，體積和重量大幅下降，為實踐十號留出了更為充裕的搭載空間。”正因為如此，實踐十號才搭載了史上最多的29個鋁合金箱子。

再次，回收監(jiān)控打通“最后一公里”。以往，航天器返回過程中常見的“黑障”階段是沒法監(jiān)控的，那幾分鐘里科學家們只能焦急地等待。此次，科學家為實踐十號安裝了脈沖雷達應(yīng)答機，不僅讓其回收艙在穿越“黑障”時仍然有信號，同時極大提高衛(wèi)星落地時的測量精度。

還有一個問題是，如果回收艙返回時不幸掉到水里怎么辦？科學家們早已未雨綢繆，在回收艙的主降落傘頂部安裝了一個浮囊，讓其即便掉到水里也不會沉下去。

值得一提的是，此次回收艙的返回地點和搭載航天員完成天地往返的神舟飛船一樣，都在內(nèi)蒙古四子王旗，但返回方式和神舟飛船有很大區(qū)別。航天科技集團五院實踐十號衛(wèi)星總指揮邱家穩(wěn)解釋說，飛船由升力控制來實現(xiàn)返回，能夠準確地著陸在預定地點，簡化設(shè)計的實踐十號少了這一環(huán)節(jié)，這要求其返回艙在與留軌艙分離時參數(shù)要十分精確。

⑤實驗室未來能重復使用

 

“將來我國要發(fā)展重復使用的航天器、衛(wèi)星。”邱家穩(wěn)表示，過去返回式衛(wèi)星使用的設(shè)備已經(jīng)在實踐十號有所應(yīng)用，但還是單獨的設(shè)備級。

我國是世界上第3個掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。在發(fā)射實踐十號之前，我國已先后成功發(fā)射了23顆返回式衛(wèi)星，成功回收了22顆。那么，既然我國已經(jīng)開始建空間站了，為何還要發(fā)射這種可重復使用的返回式衛(wèi)星呢？

胡文瑞對此解釋說，一是衛(wèi)星的微重力水平更高。像實踐十號可以達到地球表面重力的百萬分之一，而太空站上僅為地球重力的千分之一，而且像太陽能帆板等機械動力和人的活動干擾可能給實驗結(jié)果帶來影響；二是衛(wèi)星的機動性高。比如此次胚胎實驗可以在發(fā)射前8小時才裝到衛(wèi)星上，如果搭載在載人飛船上就做不到這一點，而且返回式衛(wèi)星的實驗結(jié)果可以及時回收，這又是空間站做不到的；三是衛(wèi)星風險小，造價低。因此，發(fā)展可重復使用的返回式科學衛(wèi)星是對未來空間站任務(wù)的一個有力補充。

此前，美國國家航空航天局耗資巨大的航天飛機、美國藍色起源公司和美國太空探索技術(shù)公司進行的火箭回收等，都希望打造可重復使用的可回收航天器，以降低航天發(fā)射成本。

中國科學家們目前正在實驗火箭、衛(wèi)星等航天器的回收攻關(guān)。如何從美國航天飛機項目的失利和其民間科技公司實現(xiàn)火箭回收的成功中獲得啟發(fā)？如何積極引入市場力量，發(fā)揮眾創(chuàng)活力？對于未來渴望實現(xiàn)更大程度的商業(yè)化、大眾化和深入?yún)⑴c國際競爭的中國航天來說，解答好這些問題顯得尤為重要。

  本萬轉(zhuǎn)載于：中國打造太空超級實驗室 10股潛力無限