中國將打造太空"超級實(shí)驗(yàn)室建設(shè)"

 

提到實(shí)驗(yàn)室很多人會認(rèn)為是在一個(gè)場所建立一個(gè)房子而已，如今有誰想到實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室歷史上跨時(shí)代意義的項(xiàng)目，實(shí)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(xiàn)，主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：

為這些實(shí)驗(yàn)提供場地的是一顆放大版的“子彈頭”。它的全名叫實(shí)踐十號返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，是我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yùn)載火箭發(fā)射升空。為了打造這個(gè)太空“超級實(shí)驗(yàn)室”，中國已經(jīng)準(zhǔn)備了10年，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批立項(xiàng)研究的科學(xué)衛(wèi)星中準(zhǔn)備時(shí)間最長的。

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

那么，這些實(shí)驗(yàn)將怎樣改變我們的生活？作為中國空間先導(dǎo)專項(xiàng)“四先鋒”中的“老二”，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(xué)中心主任、空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。

對科學(xué)家來說，宇宙空間就是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)產(chǎn)生的太陽高能粒子，高能量、穿透性強(qiáng)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(dú)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(shí)，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?yàn)楹教炱鲀?nèi)的物體并不都在航天器質(zhì)心位置，有時(shí)航天器的旋轉(zhuǎn)或發(fā)動機(jī)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(tuán)五院實(shí)踐十號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師趙會光表示，這方面，俄羅斯返回式衛(wèi)星已達(dá)到百萬分之一的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)踐十號整體重力優(yōu)于萬分之一，部分時(shí)段或位置已達(dá)到百萬分之一，能提供一個(gè)高效、短期、綜合的微重力空間實(shí)驗(yàn)平臺。

②為人類走向太空鋪路

實(shí)踐十號衛(wèi)星將開展的這19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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)等6大領(lǐng)域。其中，8項(xiàng)流體物理和燃燒實(shí)驗(yàn)將在留軌艙內(nèi)進(jìn)行，另外11項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)將在回收艙進(jìn)行。歐洲空間局和日本宇宙航天研發(fā)機(jī)構(gòu)各參加了一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

正如該衛(wèi)星首席科學(xué)家胡文瑞院士所說，“我們絕不會重復(fù)別人的實(shí)驗(yàn)。”細(xì)數(shù)這些實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)都堪稱“高大上”。它們是從200多項(xiàng)申請中精挑細(xì)選的，國外還沒有進(jìn)行過的，“這就意味著重大科學(xué)突破的可能。”

例如，要實(shí)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(xué)雜志《科學(xué)公共圖書館·綜合》上發(fā)表報(bào)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(shí)驗(yàn)條件下，成功進(jìn)行哺乳動物早期胚胎發(fā)育體外研究的報(bào)道并未出現(xiàn)。

為此，實(shí)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(xì)胞胚胎為研究對象，對其進(jìn)行培養(yǎng)并顯微實(shí)時(shí)跟蹤觀察，看它在微重力環(huán)境中能否繼續(xù)分裂到8個(gè)細(xì)胞、16個(gè)細(xì)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(shí)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(jìn)行更長時(shí)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(diǎn)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(xùn)。

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(shí)驗(yàn)來解決。

此次實(shí)踐十號計(jì)劃開展的“導(dǎo)線絕緣層著火實(shí)驗(yàn)”和“典型非金屬材料著火實(shí)驗(yàn)”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(jìn)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(shí)踐十號攜帶了水稻種子、擬南芥種子和線蟲進(jìn)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(shí)驗(yàn)將改變?nèi)藗兩?/span>

還有一些實(shí)驗(yàn)不得不提，因?yàn)樗鼈兓蛟S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(jì)數(shù)據(jù)表明，我國火電占比達(dá)70%到80%，其中大部分靠燃煤發(fā)電。

此次實(shí)踐十號搭載了煤燃燒實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。中國科學(xué)家們選擇了3種我國的典型煤種，在實(shí)驗(yàn)裝置中點(diǎn)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(gè)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(tuán)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(shí)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(shí)，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(xué)家們研究清楚石油的熱擴(kuò)散效應(yīng)。然而，在地面常重力條件下，科學(xué)家們無法獲得不受對流干擾的理想熱擴(kuò)散過程，因而難以得到相關(guān)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。此次實(shí)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(xué)家們能獲得驚喜。

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

④這個(gè)實(shí)驗(yàn)室渾身是寶

從上世紀(jì)80年代后期，我國就開始利用返回式衛(wèi)星做微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，但都是搭載在其他用途的衛(wèi)星上。實(shí)踐十號是第一顆專門為進(jìn)行微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)所需的29個(gè)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(shí)驗(yàn)室”，實(shí)踐十號的問世歷經(jīng)10年之久，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)中準(zhǔn)備時(shí)間最長的科學(xué)衛(wèi)星?？茖W(xué)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(jì)師趙會光介紹，為了控制回收艙返回大氣層時(shí)產(chǎn)生的高達(dá)幾千度的熱量，科學(xué)家對回收艙熱控系統(tǒng)進(jìn)行了更改，同時(shí)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(shí)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(shí)踐十號控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備。實(shí)踐十號控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師戰(zhàn)毅說：“通過一體化、高集成度的設(shè)計(jì)方式，體積和重量大幅下降，為實(shí)踐十號留出了更為充裕的搭載空間。”正因?yàn)槿绱?，?shí)踐十號才搭載了史上最多的29個(gè)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(xué)家們只能焦急地等待。此次，科學(xué)家為實(shí)踐十號安裝了脈沖雷達(dá)應(yīng)答機(jī)，不僅讓其回收艙在穿越“黑障”時(shí)仍然有信號，同時(shí)極大提高衛(wèi)星落地時(shí)的測量精度。

還有一個(gè)問題是，如果回收艙返回時(shí)不幸掉到水里怎么辦？科學(xué)家們早已未雨綢繆，在回收艙的主降落傘頂部安裝了一個(gè)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(diǎn)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(tuán)五院實(shí)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(shí)現(xiàn)返回，能夠準(zhǔn)確地著陸在預(yù)定地點(diǎn)，簡化設(shè)計(jì)的實(shí)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(shí)參數(shù)要十分精確。

⑤實(shí)驗(yàn)室未來能重復(fù)使用

 

“將來我國要發(fā)展重復(fù)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(shí)踐十號有所應(yīng)用，但還是單獨(dú)的設(shè)備級。

我國是世界上第3個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。在發(fā)射實(shí)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(fù)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(shí)踐十號可以達(dá)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(jī)械動力和人的活動干擾可能給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來影響；二是衛(wèi)星的機(jī)動性高。比如此次胚胎實(shí)驗(yàn)可以在發(fā)射前8小時(shí)才裝到衛(wèi)星上，如果搭載在載人飛船上就做不到這一點(diǎn)，而且返回式衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以及時(shí)回收，這又是空間站做不到的；三是衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)小，造價(jià)低。因此，發(fā)展可重復(fù)使用的返回式科學(xué)衛(wèi)星是對未來空間站任務(wù)的一個(gè)有力補(bǔ)充。

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

中國科學(xué)家們目前正在實(shí)驗(yàn)火箭、衛(wèi)星等航天器的回收攻關(guān)。如何從美國航天飛機(jī)項(xiàng)目的失利和其民間科技公司實(shí)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(shí)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。

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