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揭秘中国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”
[日期:2016年4月7日   出处:科普中国 2016-04-06      阅读:671 次]

出品:科普中国

作者:康琦,武瑞雪

监制:中国科学院计算机网络信息中心

 

我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”已于2016年4月6日凌晨发射升空。

据悉,“实践十号”是专门用于开展微重力科学和空间生命科学研究的实验平台,为我国空间微重力研究提供新的技术手段。

按照计划,“实践十号”将在太空中利用特殊的空间环境展开19项科学实验载荷任务研究,并将在轨完成科学实验。其回收舱在结束太空飞行后,将把11个项目的实验样品带回地球,为我国探索宇宙中新的科学奥秘提供可能。

目前,各国科学家致力于通过各种方式在太空中营造微重力环境进行科学研究,如抛物线飞机、探空火箭等实验平台的搭建,目的是利用他们的自由飞行可以获得几十秒或几分钟的微重力环境。但如果想要进行长时间微重力科学实验,就必须运用“实践十号”这样的科学实验卫星。

作为我国首颗微重力科学实验卫星,“实践十号”的独特之处有哪些?在“实践十号”上又将进行哪些科学实验?“实践十号”的发射对于我国航天事业的发展有怎样里程碑式的意义?

我们特邀“实践十号”卫星工程科学应用系统总师、中国科学院微重力重点实验室副主任康琦研究员,对这些问题进行了解答。


图1 实践十号卫星工程科学应用系统总师、中国科学院微重力重点实验室副主任研究员康琦

与众不同的“实践十号”

康琦表示,“实践十号”卫星是中科院空间科学先导项目中第二颗科学实验卫星,它将充分利用太空中的微重力环境和复杂的辐射环境,开展微重力科学和空间生命科学领域的科学研究。

引人注目的“实践十号”具有承担的科学项目多、涉及科研领域广的重要特点。它承载着19项科学任务,其中微重力科学实验项目有10项,包括流体物理、微重力燃烧和空间材料科学,其余9项为空间生命科学实验项目,涉及到流体、燃烧、材料等微重力科学领域以及辐射生物学、重力生物学、空间生物技术等空间生命科学领域。同时,作为一颗返回式卫星它还可对返回地球后的材料及生物样品进行后续处理和深入分析,从而获得珍贵的科学数据。正是由于“实践十号”的这些显著特点,使其区别于普通的卫星,具有与众不同的重要价值。

微重力环境研究——瞄准最前沿

据悉,“实践十号”科学实验项目从最初规划至今,已走过了10年历程,它是中国科学卫星系列中唯一的返回式卫星,也是承担科学实验项目数量最多的卫星,为开展微重力科学和空间生命科学研究搭建起一个高效、短期、综合的空间实验平台。康琦解释,长时间、高微重力水平的环境,是微重力科学研究的一个基本要求,在这个环境中,浮力对流、重力沉降以及分层、静压力基本消失,航天器在轨飞行可以提供足够长的微重力时间和良好的微重力环境。“实践十号”在距地球表面252Km的轨道运行,其微重力水平可以达到10-3g(g为重力加速度),为空间科学实验提供了理想的实验环境,它的存在如同在太空中搭建了一个微重力实验室。

 


                                         图2         

作为我国首颗微重力科学实验卫星,它的发射将为我国微重力科学领域产生深远的影响,那么究竟什么是“微重力环境”?开展微重力研究又怎样的科学价值?康琦给出了答案。

康琦解释说,微重力是一个比较专业的科学名词,实际上就是我们所熟悉的“失重”。在任何一个空间中,当物体微重力水平达到了10-3g或者10-4g(g为重力加速度),就会处于明显的“失重状态”。

位于北京国家微重力实验室的百米微重力实验落塔,是我国进行微重力研究的重要实验设施,然而高百米的落塔只能够给科学家提供短短3.5秒的微重力时间,想获得更长的微重力时间,进行更深入的研究工作,还是需要到太空中去寻找。

康琦还表示,卫星在轨飞行时,提供了较长时间的微重力环境,这也为“实践十号”所搭载的实验项目提供了非常良好的实验条件。在太空微重力环境下物质运动以及生命活动有很多特殊的规律,“实践十号”卫星中所搭载的科学实验项目正是充分利用微重力环境的特殊性来开展科学实验的。

以“实践十号”科学实验项目中有关煤的燃烧实验为例,人类之所以要在太空中开展这种主要在地面应用的实验项目,是因为在地面的煤燃烧是一个多因素作用的结果,特别是“浮力对流”掩盖了许多燃烧的基本过程,而在太空中排除重力因素之后,其燃烧机制和特点、及物性参数的测量会发生改变,这些研究成果对于提高地面煤燃烧的效率非常具有指导意义的。除此之外,“实践十号”空间生命科学实验项目中,有关于植物、动物以及现在医学界的研究热点——造血干细胞及胚胎发育的研究,对于未来空间科学的发展也具有深远的意义,这些科学实验项目对人类在太空中进行长期驻留,甚至是太空旅行、太空迁移,将提供关键性的科学依据。


                                图3 煤燃烧箱内部结构

前无古人的创新

康琦表示,“实践十号”科学实验卫星所进行的微重力科学研究,包括基础性研究和应用性研究,带有鲜明的中国特色,例如微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究就是要利用微重力环境,揭示中国典型煤种的单个颗粒和煤粉颗粒群在流动解耦、传热传质各向同性理想状态下的着火、燃烧和污染物生成的基本规律,准确获得地面无法得到的一些基础数据,发展更完善的煤燃烧理论和模型;“微重力条件下石油组分热扩散特性的研究”将有可能改良人类目前的原油分布预测精度;“微重力条件下非金属材料燃烧特性的研究”则要观察微重力条件下材料着火的规律,并与重力条件下的燃烧进行对比,从而推动中国建立自己的航天防火规范。


                 图4 落塔实验中观察到的液滴进入微重力环境后外形的变化

据介绍,在“实践十号”返回式卫星上,专门搭载了一个进行材料科学研究的多功能炉,在这个实验仪器中将进行八种新材料、新工艺的研究,包括半导体材料、合金材料以及金属材料。在地球表面,由重力效应而产生的浮力对流、重力密度分层等现象,会对熔体材料生长过程产生极大的影响,出现不同程度的缺陷,材料的性能和质量受到很大的影响。晶体生长和材料制备在现代通信及电子产业中有很重要的地位,而在微重力环境下开展晶体生长研究,可排除浮力对流和重力沉淀效应的干扰。康琦表示,科研人员也将研究微重力环境下晶体生长和凝固过程,从而理解材料从熔体中形成的界面动力学,为改善地面晶体生长工艺奠定基础。通过微重力环境抑制溶质浮力对流,获得地面重力场中难以生长的高质量材料。通过此次“实践十号”空间科学实验研究,有望改善特殊材料的加工工艺过程以及促进新材料新性能的开发与应用,为我国空间材料的发展做出新的贡献。


                                 图5 实践十号卫星非金属材料燃烧箱

作为我国首颗专门的微重力实验卫星,“实践十号”上每一项科学实验均经过严格遴选、反复论证,具创新性研究将成为我国空间科学发展的重要契机,它承载着国人对于宇宙空间科学的求知欲望,探索更多不为人知的奥秘。

宇宙空间是人类最好的实验室,同时占据了科学上宏观和微观两个世界的前沿,发展空间科学将极大推动我国前沿基础学科的发展。未来实践十号有望挖掘出更多地面上被重力掩盖的科学奥秘,并为航天工程与技术的发展提供强有力的科学支撑。我们也很期待,它将为人类带回怎样的“惊喜”。




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