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微重力實驗衛星能做些什么

2019年09月18日 11:27來源:北京日報

8月31日7時41分,我國在酒泉衛星發射中心用快舟一號甲運載火箭,以“一箭雙星”方式,成功將微重力技術實驗衛星和瀟湘一號07衛星發射升空。

微重力狀態下的火焰璀璨奪目、美艷無比。

不久前,中國科學院空間科學(二期)戰略性先導科技專項首發星——微重力技術實驗衛星,在酒泉衛星發射中心發射升空。

空間科學戰略性先導科技專項是中科院“率先行動”計劃的重要組成部分,專項一期部署發射了“悟空”“墨子”“實踐十號”等科學衛星。空間科學(二期)先導專項部署了先進天基太陽天文臺、愛因斯坦探針等空間科學衛星計劃。那么,此次發射的微重力技術實驗衛星是用來做什么的呢?

重力是人們司空見慣的現象,從枝頭掉落的熟蘋果,到飛流而下的瀑布,重力的存在使得地球上的物體都存在著靠近地面運動的趨向。同時,重力也吸引著我們賴以生存的大氣層,還讓我們不至于輕輕一跳就離開地球,丟失在茫茫太空之中。重力來自于地球附近物體與地球之間的萬有引力,除非使用特別的手段對物體所處的狀態進行改變,地球附近所發生的物理現象都會受到重力潛移默化的作用。例如,當把一盆混有泥沙的水靜置一段時間后,泥沙就會在重力的作用下沉積在盆的底部。

然而,科學家們也希望能夠“屏蔽”重力,研究各種物質和現象在重力作用較為微弱時的情況,從而獲得新的認識與發現。這種研究被稱為微重力科學研究。隨著航天技術的發展,各類載人航天器為微重力科學研究提供了穩定的平臺,我國的“實踐十號”“微重力技術實驗衛星”等衛星,則為微重力科學與技術研究開辟了新的天地。

航天器為微重力科研搭建平臺

相比于“微重力”這個專業術語,“失重”這個形容詞更為廣大讀者所知。當宇航員進入太空之后,便可以從座椅上飄浮起來,能夠靈巧地在艙內翻跟頭。而實際上,在失重狀態下,宇航員及飛船仍然會受到地球重力的作用。正是地球重力使得他們始終在環繞地球的軌道上運行。然而,他們看起來又不再受到重力束縛,是因為此時飛船搭載的宇航員與物品,處于一種與自由落體運動相當的狀態中。飛船中的物體彼此之間都無法像地面上一樣,由于重力的存在而產生相互作用。如果此時拿一臺體重秤去測量宇航員的體重,由于二者處于同樣的加速運動狀態中,宇航員無法在重力的作用下壓迫體重秤,因此體重秤測到的重量幾乎為0,這便是失重狀態產生的結果。

除了航天器以外,人們也可以通過其他方式制造失重環境。例如,在北京四環附近有一座高高的尖塔,它是中科院國家微重力實驗室的百米落塔實驗設施。當實驗裝置從塔中拋下時,可以獲得約3.5秒的失重時間,之后被落塔底部的減速回收裝置安全回收。除我國外,美國、日本、德國等也都建立了類似的微重力實驗裝置。

飛機也是獲得失重狀態的途徑之一。飛機首先抬升機頭,到達高空,之后以近乎自由落體的方式俯沖,使機艙內獲得20-30秒的失重時間,最后結束俯沖拉起。在訓練航天員時,常采用這種方式讓航天員在進入太空前對失重狀態有所體驗。還有公司開展了這方面的旅游業務,讓普通人也有機會體驗失重。

相比于這些以秒為單位計量持續時間的失重狀態產生方式,航天器所制造的失重狀態可以穩定地持續較長時間,為在失重狀態下進行科學研究與技術試驗提供了理想的平臺。從上世紀六七十年代起,美國就利用阿波羅載人飛船進行了最初的空間微重力實驗。航天飛機出現后,第一種大型空間微重力科學實驗平臺誕生了。得益于其強大的運載能力,空間微重力實驗能夠以更大的規模進行。如美國和德國合作研制的“太空實驗室”實驗艙,安置在航天飛機的貨艙后部,通過管道與航天飛機的乘員艙相連。在航天飛機入軌后,宇航員可以進入加壓的實驗艙操作各種實驗裝置,開展包括微重力科學實驗在內的各種空間實驗。

多種微重力實驗獲得新發現

目前,利用航天器開展的微重力實驗主要有微重力流體力學、微重力燃燒物理、微重力生物技術等。

重力對流體力學現象有著顯著的影響。當燒杯中的水被加熱時,底部的水首先變得更熱,并受熱膨脹。而靠近燒杯口的水此時溫度相對較低,密度相對較高。在重力的作用下,燒杯口部密度較高的水會下沉,產生的浮力將燒杯底部較熱的水頂到更高的位置,形成對流。而在微重力環境中,這種重力引起的對流將不復存在,水在被加熱時則會呈現新的流體力學運動形態。科學家們希望通過微重力環境下所觀測到的新現象,對流體力學的原理及在特定流體形態的變化規律有更深入的認識。目前,實際進行的微重力流體力學實驗遠比燒杯燒水這種現象復雜得多。例如,膠體是一種均勻的混合流體。在微重力環境下,膠體系統中的膠體球將不再受到重力沉降作用,提供準確的局域結構信息,科學家們可以通過其在太空中的變化獲得膠體性質的新發現。

當我們將蠟燭點燃時,蠟燭的火焰呈現底下粗、上面細的形狀。這是因為火焰燃燒時,周圍較冷的空氣會在重力的作用下,產生浮力對流現象,擠壓火焰燃燒產生的較熱的氣流上升。在微重力環境下,浮力對流效應將不復存在,火焰將呈現近似球形的對稱結構。這是微重力環境對燃燒現象影響最簡單直觀的例子。在載人航天飛行中,防火對于保證航天器安全至關重要。然而,由于太空微重力中的燃燒呈現與重力環境下不同的特性,地面上的防火手段無法有效地直接運用到航天器的設計制造中,必須通過有關微重力燃燒實驗,搞清燃燒現象在太空中的實際情況與規律,才能設計行之有效的防火手段,保障飛行安全。

生物技術也在微重力環境下獲得了新的研究機會。例如,蛋白質是構成生命的基本物質。在地面進行的蛋白質分子晶體培養實驗中,重力導致的對流和沉積可能抑制晶體的生長。在微重力條件下,對流和沉積作用顯著減少,從而可以形成結構更好、體積更大的晶體。此外,微重力條件下,蛋白質晶體不會像在地球上那樣沉到生長容器的底部,進而避免了被溶液中生長的其他晶體干擾。而由于對流流動在微重力下也大大減少,晶體生長在一個安靜得多的環境中,能夠形成更理想的晶體結構。在微重力條件下研究蛋白質晶體生長過程所獲得的知識,能夠使我們對蛋白質性質有更深入的認識。

科學衛星實驗優勢更加明顯

和其他航天大國一樣,我國也利用載人航天器進行了空間微重力科學實驗。從神舟二號開始,我國就利用神舟飛船搭載微重力科學實驗裝置進入太空,在飛船在軌運行期間開展有關實驗。天宮一號、天宮二號較長的在軌工作時間和更大的艙內空間,為實驗的開展提供了更好的條件。

2016年4月6日,我國成功發射第一顆微重力科學衛星“實踐十號”。在太空遨游12天后,“實踐十號”的返回艙按照計劃成功返回地面并被及時回收。

在已經擁有載人航天平臺的情況下,我國之所以仍然研制了專用的微重力科學衛星,首先是因為這種衛星能夠提供更理想的微重力狀態。微重力狀態下,有關實驗裝置仍會受到與重力等效的過載作用。例如,當宇航員在飛船或小型空間站內移動時,會使實驗裝置受到相當于地面重力加速度的萬分之一到千分之一的過載。而如果實施軌道維持,則會產生相當于地面重力加速度千分之一的過載。這些過載看起來似乎微不足道,卻會對實驗產生不利影響。而“實踐十號”這種專用的微重力衛星,能夠針對微重力實驗的需求采取相應的設計和運行措施,能夠始終將關鍵部位的過載控制在小于地面重力加速度十萬分之一的水平。

此外,在載人航天飛行中,有關科學裝置的安裝與返回必須配合任務總體上的時間安排。而專用的微重力科學衛星具有機動性強的特點,可以給相關實驗裝置更大的便利,能夠使它們盡量按照合適的時間裝載上衛星,并及時返回地面進行分析。

剛剛發射的微重力技術實驗衛星,其主要任務是在太空的微重力環境下,對有關的新技術、新設備進行測試與驗證,證實它們的確能夠如科學家和工程師們設想的那樣,實現預期的功能、達到預期的指標,為今后這些技術應用到功能更強大、設計更復雜的各類航天器上奠定基礎。(李會超)

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