謝博

如今月月有網(wǎng)紅，張張都一樣，但是4月水平特別高。即使不說(shuō)高大上的19項(xiàng)微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，單就這上天又返回的本事，一般人模仿不了。接下來(lái)咱們就詳細(xì)說(shuō)說(shuō)高端網(wǎng)紅“實(shí)踐”10號(hào)的八卦。

4月6日1時(shí)38分，我國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“實(shí)踐”10號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由“長(zhǎng)征”2號(hào)丁運(yùn)載火箭發(fā)射升空，進(jìn)入預(yù)定軌道。12天后，返回艙返回蒙古四子王旗，儀器艙再留軌工作3天。作為航天任務(wù)中的一員，“實(shí)踐”10號(hào)稍有些驚喜地上了多個(gè)頭條，成為了網(wǎng)絡(luò)熱搜詞。由于大名有些拗口，下面我們就用網(wǎng)名“實(shí)10”代表它吧。

微重力的奇妙幻境

本次“實(shí)10”的重要任務(wù)是微重力實(shí)驗(yàn)。有小伙伴就要問(wèn)了，微重力就是重力很小的意思嗎？很抱歉地通知您，猜錯(cuò)了。

按照我們的理解，重力是由地球引力引起的，但是即使是離開地球表面幾百千米，受到引力仍然沒有減少太多，因此并不是重力變小了。衛(wèi)星或者空間站的失重可以簡(jiǎn)單理解為失去支撐。那怎么解釋微重力呢？我們先從失重出發(fā)，從比薩斜塔扔下的鐵球做自由落體時(shí)，我們知道這是失重。但是，鐵球真的就一點(diǎn)兒支撐都沒有了么？還有空氣阻力嘛。在太空中，同樣存在稀薄氣體等因素，使得失重中的衛(wèi)星會(huì)存在短暫微重力狀態(tài)。

在微重力環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)一些與重力環(huán)境不同的物理規(guī)律，十分奇妙。例如，流體中浮力和靜壓力消失，基本沒有引力引起的流體自然對(duì)流，擴(kuò)散過(guò)程成為主要因素：液體的約束力來(lái)自于表面張力：毛細(xì)現(xiàn)象和潤(rùn)濕現(xiàn)象（液體在另一種物體表面的擴(kuò)展現(xiàn)象）加劇。所以，在微重力環(huán)境中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要意義，能消除所有重力引起的不利因素，進(jìn)行微重力物理、生物、生命等領(lǐng)域的研究，并進(jìn)行有關(guān)生產(chǎn)制造和加工工藝試驗(yàn)，開展微重力應(yīng)用研究。

目前，不少國(guó)家的科學(xué)家們都想利用多種方式營(yíng)造微重力環(huán)境開展研究，比如拋物線飛機(jī)、探空火箭、宇宙飛船、空間站等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但它們有的只能提供幾分鐘甚至更短的微重力環(huán)境，有的則價(jià)格昂貴，帶回樣品比較有限，周期也較長(zhǎng)。這對(duì)空間生命科學(xué)等一些短周期科學(xué)實(shí)驗(yàn)有較大限制，要想進(jìn)行時(shí)間和價(jià)格都合適的微重力研究，返回式衛(wèi)星是一個(gè)很好的選擇。這種航天器運(yùn)行周期短，適合開展短周期的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它以其系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、成本低、應(yīng)用便捷等優(yōu)勢(shì)，成為一種有效的空間服務(wù)手段。我國(guó)返回式衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，在此前入軌的23顆返回式衛(wèi)星中，成功回收了22顆。而我國(guó)上一次發(fā)射返回式衛(wèi)星要追溯到10年前的2006年的“實(shí)踐”8號(hào)。

返回式衛(wèi)星多個(gè)“第一”

作為我國(guó)新一代具有安全回收、適應(yīng)中長(zhǎng)期在軌試驗(yàn)、應(yīng)用靈活和成本低廉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)10承載能力、微重力水平、實(shí)驗(yàn)載荷服務(wù)支持能力等較以往返回式衛(wèi)星均有進(jìn)一步提升。我們知道以往返回式衛(wèi)星一般為橢圓軌道，而實(shí)10根據(jù)任務(wù)要求調(diào)整了軌道設(shè)計(jì)，變?yōu)閳A軌道。這一由“橄欖”變“圓環(huán)”的改變，大大提高了微重力水平，為更好地開展微重力環(huán)境下的科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了有力的支撐。

以往返回式衛(wèi)星的“回家”地點(diǎn)遂寧，而實(shí)10選擇在內(nèi)蒙古四子王旗回收，這主要是目前遂寧山區(qū)人員密度增大，新建房屋林立，為了保護(hù)當(dāng)?shù)匕傩盏娜松砗拓?cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也為了衛(wèi)星搜尋回收，于是放棄了遂寧，而選擇了具有比較成熟回收條件的四子王旗。

下面這個(gè)首次，有些技術(shù)門檻，我試著解釋給大伙。實(shí)10首次在返回式衛(wèi)星上采用流體回路系統(tǒng)，這大幅提升了載荷功耗的承受能力，以滿足開展異常復(fù)雜科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。比如，衛(wèi)星將原來(lái)的程控、遙測(cè)、遙控分系統(tǒng)的功能整合，形成了數(shù)管分系統(tǒng)；為了適應(yīng)19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)管理要求和微重力平臺(tái)能力需要，首次構(gòu)建了基于數(shù)管分系統(tǒng)和服務(wù)支持子系統(tǒng)的兩級(jí)構(gòu)架機(jī)制，以便于更好地適應(yīng)多任務(wù)、多載荷的適配要求。

為精準(zhǔn)測(cè)量衛(wèi)星的在軌微重力水平，實(shí)10首次采用了高精度、多模式工程參數(shù)測(cè)量分系統(tǒng)。利用這一新增的分系統(tǒng)，能夠用數(shù)據(jù)說(shuō)話，準(zhǔn)確地告訴科學(xué)家們平臺(tái)的微重力是多少，便于更好地開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

從返回到可重復(fù)使用

我國(guó)是世界上第3個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國(guó)家。在發(fā)射“實(shí)踐”10號(hào)之前，我國(guó)已先后成功發(fā)射了23顆返回式衛(wèi)星，成功回收了22顆。它們分為6種型號(hào)，即返回式衛(wèi)星0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和實(shí)踐8號(hào)。用這些返回式衛(wèi)星不僅進(jìn)行了遙感、微重力實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)試驗(yàn)以及太空育種，還為中國(guó)掌握載人飛船返回技術(shù)提供了重要借鑒。

不過(guò)，衛(wèi)星返回是一項(xiàng)很復(fù)雜的技術(shù)，要在空中準(zhǔn)確完成一系列的高難度動(dòng)作，目前仍只有少數(shù)國(guó)家掌握。要使衛(wèi)星要全地返回地面，至少攻克5大難關(guān)。一是調(diào)姿關(guān)：在衛(wèi)星返回前，把衛(wèi)星從運(yùn)行軌道的姿態(tài)準(zhǔn)確地調(diào)整為返回的姿態(tài)，并使衛(wèi)星在此姿態(tài)下保持穩(wěn)定運(yùn)行；二是制動(dòng)關(guān)：衛(wèi)星上的制動(dòng)火箭應(yīng)按時(shí)點(diǎn)火，可靠工作，從而使衛(wèi)星脫離原來(lái)的運(yùn)行軌道，進(jìn)入預(yù)定的返回軌道；三是防熱關(guān)：衛(wèi)星返回時(shí)不僅要保證衛(wèi)星在高速返回過(guò)程中不致因與空氣強(qiáng)烈摩擦而被燒毀，而且艙內(nèi)溫度要保持在儀器艙工作的最高溫度以下；四是軟著陸關(guān)：要有可靠的降落傘系統(tǒng)和回收控制系統(tǒng)，保證以很低的速度著陸，回收物品完好無(wú)損；五是標(biāo)位及尋找關(guān)：要保證能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)及測(cè)量衛(wèi)星的落點(diǎn)位置，使回收區(qū)工作人員盡快發(fā)現(xiàn)返回艙，并開展回收作業(yè)。

目前，航天工程師還在研制可重復(fù)使用的返回式衛(wèi)星，目的是減少空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成本，如果成功，前景十分廣闊。

首次大規(guī)模開展微重力實(shí)驗(yàn)

微重力科學(xué)是力學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)的新興交叉學(xué)科，主要研究在微重力環(huán)境中物質(zhì)的平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，包括微重力流體物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)和和空間基礎(chǔ)物理等。在微重力環(huán)境中，由于地球重力產(chǎn)生的浮力、沉淀、壓力梯度等過(guò)程基本消失，這就為微重力科學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了極好的機(jī)遇，孕育了學(xué)術(shù)的重大突破。因?yàn)樵谖⒅亓ο鲁霈F(xiàn)的新現(xiàn)象、新規(guī)律，能發(fā)現(xiàn)被重力掩蓋的現(xiàn)象和實(shí)質(zhì)，為人們深入認(rèn)識(shí)流體、燃燒和物質(zhì)的本質(zhì)提供依據(jù)，改善地面上與人類生活密切的流體、燃燒和物質(zhì)特性。

“實(shí)10”的主要任務(wù)是開展涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射效應(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)六大領(lǐng)域的19項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，有10項(xiàng)微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，9項(xiàng)空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中有11項(xiàng)收回，8項(xiàng)不收回。這是迄今為止單次空間微重力和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及種類最多的衛(wèi)星空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，每一項(xiàng)都具有很強(qiáng)的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

“實(shí)10”整體為柱錐組合體形狀，分為返回艙和儀器艙兩個(gè)艙段，其中儀器艙包括服務(wù)艙和密封艙，返回艙包括回收艙和制動(dòng)艙?；厥张撛谕瓿扇蝿?wù)后再入大氣軟著陸并回收。其總質(zhì)量約為3600千克，搭載了600多千克科學(xué)載荷，運(yùn)行在高約252千米、傾角43。的圓軌道，在軌飛行12～15天，其工作時(shí)間與其上電池的電量有關(guān)。這顆衛(wèi)星沒有裝太陽(yáng)電池翼，以免產(chǎn)生振動(dòng)而影響科學(xué)實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星上微重力水平優(yōu)于1×10^-3g。

微重力科學(xué)空間實(shí)驗(yàn)一瞥

燃燒是當(dāng)今世界大約85%的能源來(lái)源，但至今仍然缺乏完整的燃燒過(guò)程理論，這也是目前燃燒過(guò)程對(duì)環(huán)境構(gòu)成污染的重要原因。微重力燃燒科學(xué)研究的目標(biāo)是增進(jìn)對(duì)燃燒基本原理受重力影響的了解，增進(jìn)對(duì)地面上燃燒的認(rèn)識(shí)。因?yàn)樵谖⒅亓Νh(huán)境中沒有浮力引起的流動(dòng)和沉淀，排除了浮力引起的對(duì)流和沉淀引起的分層，燃料可平靜均勻地混合在一起，能對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，研究被重力掩蓋了的真實(shí)燃燒現(xiàn)象，這將有助于燃燒效率的提高，以及污染、大氣變化、全球變暖、火災(zāi)等問(wèn)題的解決。提高燃燒效率對(duì)社會(huì)影響是巨大的，石油燃燒效率每提高1%，全球每年就可節(jié)省幾億桶石油。

非金屬材料著火和燃燒特性實(shí)驗(yàn)：揭示熱厚非金屬材料在微重力條件下的著火和燃燒特性，認(rèn)識(shí)環(huán)境流動(dòng)、氧氣濃度和材料形狀等主要因素對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律。

導(dǎo)線絕緣層著火特性研究實(shí)驗(yàn)：闡明微重力環(huán)境下典型非金屬材料導(dǎo)線絕緣層的火災(zāi)先期征兆及著火早期煙氣析出及分布規(guī)律。

微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究實(shí)驗(yàn)：觀測(cè)不同爐溫、不同煤種、不同粒徑和環(huán)境氣體成分條件下單個(gè)球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒全過(guò)程，揭示我國(guó)典型煤種的單個(gè)顆粒和煤粉顆粒群在流動(dòng)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。

顆粒氣液相分離振動(dòng)實(shí)驗(yàn)：利用微重力環(huán)境實(shí)現(xiàn)顆粒流體氣液相分離，檢驗(yàn)顆粒氣體的類分子氣液相分離理論，完善顆粒氣體團(tuán)簇形成機(jī)理的模型。此外還有蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實(shí)驗(yàn)和熱毛細(xì)對(duì)流表面波空間實(shí)驗(yàn)。

沸騰汽泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)：用于進(jìn)行沸騰過(guò)程中的汽泡動(dòng)力學(xué)特征研究。在地面重力環(huán)境中，水被加熱時(shí)底部開始沸騰，在容器底部產(chǎn)生小氣泡，被重力引起的對(duì)流帶到容器上部。在太空微重力環(huán)境中，加熱產(chǎn)生的氣泡會(huì)一直附著在容器底部停留很長(zhǎng)時(shí)間，最后形成一個(gè)大氣泡，飄浮在水中。此實(shí)驗(yàn)可加深對(duì)沸騰現(xiàn)象中汽泡形成一成長(zhǎng)一脫落過(guò)程等局部流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，服務(wù)于我國(guó)相關(guān)空間技術(shù)研發(fā)。

石油組分的索里特系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)：可幫助預(yù)測(cè)油田中石油組分分布和油氣界面位置，進(jìn)而指導(dǎo)石油的開采。膠體有序排列及新型材料研究實(shí)驗(yàn)：用于觀察微重力下膠體粒子、聚苯乙烯微球以及金納米顆粒包覆聚苯乙烯微球的自組裝動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以及微重力下液晶相變過(guò)程。揭示被重力所掩蓋的各種真實(shí)現(xiàn)象和材料物理現(xiàn)象的本質(zhì)，尋求消除地面制備材料中缺陷的方法。在微重力環(huán)境中，能生產(chǎn)少量高品質(zhì)的材料和作為基準(zhǔn)的具有特殊性能的材料，可進(jìn)行材料的無(wú)容器加工，避免在加工過(guò)程中容器產(chǎn)生的污染，并允許需要極高溫度的材料加工和具有腐蝕性材料的加工。

空間材料生長(zhǎng)研究實(shí)驗(yàn)：用于研究微重力環(huán)境下晶體生長(zhǎng)和凝固過(guò)程，理解材料從熔體中形成的界面動(dòng)力學(xué)，為改善地面晶體生長(zhǎng)工藝奠定基礎(chǔ)。在太空，晶體可以在蒸氣介質(zhì)中于懸浮狀態(tài)下生長(zhǎng)，因而晶體個(gè)體大、位錯(cuò)密度小、無(wú)應(yīng)力、純度高。通過(guò)微重力環(huán)境抑制溶質(zhì)對(duì)流，可獲得地面重力場(chǎng)中難以生長(zhǎng)的高質(zhì)量材料。

揭秘空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)

空間環(huán)境對(duì)家蠶發(fā)育影響與變異機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)：在軌培養(yǎng)家蠶生物樣品，開展家蠶發(fā)育、基因和蛋白質(zhì)表達(dá)等方面的研究。人身體的蛋白質(zhì)在維持生命上起著重要作用。在微重力環(huán)境中，由于沒有沉淀和對(duì)流的影響，蛋白質(zhì)溶液處于自由狀態(tài)，所以能夠生產(chǎn)出足夠大的高品質(zhì)蛋白質(zhì)晶體，為深入研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其功能創(chuàng)造了良好的條件?？山沂咎窄h(huán)境對(duì)重要生命現(xiàn)象及生命過(guò)程的作用與影響，為發(fā)展地基生物技術(shù)提供理論依據(jù)，并為改善人長(zhǎng)期在太空生活質(zhì)量提供依據(jù)。

微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究實(shí)驗(yàn)：在軌培養(yǎng)完成小鼠胚胎樣品。通過(guò)研究太空環(huán)境對(duì)哺乳動(dòng)物早期胚胎生長(zhǎng)發(fā)育的影響，揭示空間環(huán)境條件下動(dòng)物早期生命活動(dòng)規(guī)律，為未來(lái)長(zhǎng)期太空飛行中保障人類生殖發(fā)育健康提供科學(xué)依據(jù)。

此外，還有微重力條件下造血與神經(jīng)干細(xì)胞三維培養(yǎng)與組織構(gòu)建研究實(shí)驗(yàn)和微重力下細(xì)胞間相互作用的物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律研究實(shí)驗(yàn)以及微重力植物生物學(xué)效應(yīng)及其微重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究實(shí)驗(yàn)。

空間微重力條件下光周期誘導(dǎo)高等植物開花研究實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行水稻、擬南芥植物樣品的在軌培養(yǎng)，了解并初步闡明微重力對(duì)長(zhǎng)日與短日植物光周期誘導(dǎo)開花的影響及其分子機(jī)理，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作物栽培和品質(zhì)選育提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)，應(yīng)用于載人航天受控生命生態(tài)支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并為空間植物培養(yǎng)提供理論依據(jù)。培育后的天空種子帶回地面，經(jīng)過(guò)幾代繁殖、觀察、尋找新的有益的突變類型，能培養(yǎng)糧食、蔬菜、果樹和其它農(nóng)作物新品種。

輻射生物學(xué)研究實(shí)驗(yàn)：綜合測(cè)量水稻等模式生物材料經(jīng)歷的空間粒子輻射，評(píng)估生物個(gè)體接受空間輻射的品質(zhì)及其與對(duì)應(yīng)的輻射損傷和遺傳變異的關(guān)聯(lián)等。

空間輻射對(duì)基因組作用和遺傳效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行小鼠細(xì)胞、果蠅等生物樣品的在軌培養(yǎng)。揭示復(fù)合及復(fù)雜空間輻射環(huán)境生物體的自組織性，挖掘空間輻射生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制需要用新概念、新理論和新技術(shù)。

責(zé)任編輯：武瑾媛