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2019-10-14 06:54 来源:tom网

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微重力实验卫星能做些什么

2019-10-14 11:27来源:北京日报

8月31日7时41分,我国在酒泉卫星发射中心用快舟一号甲运载火箭,以“一箭双星”方式,成功将微重力技术实验卫星和潇湘一号07卫星发射升空。

微重力状态下的火焰璀璨夺目、美艳无比。

不久前,中国科学院空间科学(二期)战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星,在酒泉卫星发射中心发射升空。

空间科学战略性先导科技专项是中科院“率先行动”计划的重要组成部分,专项一期部署发射了“悟空”“墨子”“实践十号”等科学卫星。空间科学(二期)先导专项部署了先进天基太阳天文台、爱因斯坦探针等空间科学卫星计划。那么,此次发射的微重力技术实验卫星是用来做什么的呢?

重力是人们司空见惯的现象,从枝头掉落的熟苹果,到飞流而下的瀑布,重力的存在使得地球上的物体都存在着靠近地面运动的趋向。同时,重力也吸引着我们赖以生存的大气层,还让我们不至于轻轻一跳就离开地球,丢失在茫茫太空之中。重力来自于地球附近物体与地球之间的万有引力,除非使用特别的手段对物体所处的状态进行改变,地球附近所发生的物理现象都会受到重力潜移默化的作用。例如,当把一盆混有泥沙的水静置一段时间后,泥沙就会在重力的作用下沉积在盆的底部。

然而,科学家们也希望能够“屏蔽”重力,研究各种物质和现象在重力作用较为微弱时的情况,从而获得新的认识与发现。这种研究被称为微重力科学研究。随着航天技术的发展,各类载人航天器为微重力科学研究提供了稳定的平台,我国的“实践十号”“微重力技术实验卫星”等卫星,则为微重力科学与技术研究开辟了新的天地。

航天器为微重力科研搭建平台

相比于“微重力”这个专业术语,“失重”这个形容词更为广大读者所知。当宇航员进入太空之后,便可以从座椅上飘浮起来,能够灵巧地在舱内翻跟头。而实际上,在失重状态下,宇航员及飞船仍然会受到地球重力的作用。正是地球重力使得他们始终在环绕地球的轨道上运行。然而,他们看起来又不再受到重力束缚,是因为此时飞船搭载的宇航员与物品,处于一种与自由落体运动相当的状态中。飞船中的物体彼此之间都无法像地面上一样,由于重力的存在而产生相互作用。如果此时拿一台体重秤去测量宇航员的体重,由于二者处于同样的加速运动状态中,宇航员无法在重力的作用下压迫体重秤,因此体重秤测到的重量几乎为0,这便是失重状态产生的结果。

除了航天器以外,人们也可以通过其他方式制造失重环境。例如,在北京四环附近有一座高高的尖塔,它是中科院国家微重力实验室的百米落塔实验设施。当实验装置从塔中抛下时,可以获得约3.5秒的失重时间,之后被落塔底部的减速回收装置安全回收。除我国外,美国、日本、德国等也都建立了类似的微重力实验装置。

飞机也是获得失重状态的途径之一。飞机首先抬升机头,到达高空,之后以近乎自由落体的方式俯冲,使机舱内获得20-30秒的失重时间,最后结束俯冲拉起。在训练航天员时,常采用这种方式让航天员在进入太空前对失重状态有所体验。还有公司开展了这方面的旅游业务,让普通人也有机会体验失重。

相比于这些以秒为单位计量持续时间的失重状态产生方式,航天器所制造的失重状态可以稳定地持续较长时间,为在失重状态下进行科学研究与技术试验提供了理想的平台。从上世纪六七十年代起,美国就利用阿波罗载人飞船进行了最初的空间微重力实验。航天飞机出现后,第一种大型空间微重力科学实验平台诞生了。得益于其强大的运载能力,空间微重力实验能够以更大的规模进行。如美国和德国合作研制的“太空实验室”实验舱,安置在航天飞机的货舱后部,通过管道与航天飞机的乘员舱相连。在航天飞机入轨后,宇航员可以进入加压的实验舱操作各种实验装置,开展包括微重力科学实验在内的各种空间实验。

多种微重力实验获得新发现

目前,利用航天器开展的微重力实验主要有微重力流体力学、微重力燃烧物理、微重力生物技术等。

重力对流体力学现象有着显著的影响。当烧杯中的水被加热时,底部的水首先变得更热,并受热膨胀。而靠近烧杯口的水此时温度相对较低,密度相对较高。在重力的作用下,烧杯口部密度较高的水会下沉,产生的浮力将烧杯底部较热的水顶到更高的位置,形成对流。而在微重力环境中,这种重力引起的对流将不复存在,水在被加热时则会呈现新的流体力学运动形态。科学家们希望通过微重力环境下所观测到的新现象,对流体力学的原理及在特定流体形态的变化规律有更深入的认识。目前,实际进行的微重力流体力学实验远比烧杯烧水这种现象复杂得多。例如,胶体是一种均匀的混合流体。在微重力环境下,胶体系统中的胶体球将不再受到重力沉降作用,提供准确的局域结构信息,科学家们可以通过其在太空中的变化获得胶体性质的新发现。

当我们将蜡烛点燃时,蜡烛的火焰呈现底下粗、上面细的形状。这是因为火焰燃烧时,周围较冷的空气会在重力的作用下,产生浮力对流现象,挤压火焰燃烧产生的较热的气流上升。在微重力环境下,浮力对流效应将不复存在,火焰将呈现近似球形的对称结构。这是微重力环境对燃烧现象影响最简单直观的例子。在载人航天飞行中,防火对于保证航天器安全至关重要。然而,由于太空微重力中的燃烧呈现与重力环境下不同的特性,地面上的防火手段无法有效地直接运用到航天器的设计制造中,必须通过有关微重力燃烧实验,搞清燃烧现象在太空中的实际情况与规律,才能设计行之有效的防火手段,保障飞行安全。

生物技术也在微重力环境下获得了新的研究机会。例如,蛋白质是构成生命的基本物质。在地面进行的蛋白质分子晶体培养实验中,重力导致的对流和沉积可能抑制晶体的生长。在微重力条件下,对流和沉积作用显著减少,从而可以形成结构更好、体积更大的晶体。此外,微重力条件下,蛋白质晶体不会像在地球上那样沉到生长容器的底部,进而避免了被溶液中生长的其他晶体干扰。而由于对流流动在微重力下也大大减少,晶体生长在一个安静得多的环境中,能够形成更理想的晶体结构。在微重力条件下研究蛋白质晶体生长过程所获得的知识,能够使我们对蛋白质性质有更深入的认识。

科学卫星实验优势更加明显

和其他航天大国一样,我国也利用载人航天器进行了空间微重力科学实验。从神舟二号开始,我国就利用神舟飞船搭载微重力科学实验装置进入太空,在飞船在轨运行期间开展有关实验。天宫一号、天宫二号较长的在轨工作时间和更大的舱内空间,为实验的开展提供了更好的条件。

2019-10-14,我国成功发射第一颗微重力科学卫星“实践十号”。在太空遨游12天后,“实践十号”的返回舱按照计划成功返回地面并被及时回收。

在已经拥有载人航天平台的情况下,我国之所以仍然研制了专用的微重力科学卫星,首先是因为这种卫星能够提供更理想的微重力状态。微重力状态下,有关实验装置仍会受到与重力等效的过载作用。例如,当宇航员在飞船或小型空间站内移动时,会使实验装置受到相当于地面重力加速度的万分之一到千分之一的过载。而如果实施轨道维持,则会产生相当于地面重力加速度千分之一的过载。这些过载看起来似乎微不足道,却会对实验产生不利影响。而“实践十号”这种专用的微重力卫星,能够针对微重力实验的需求采取相应的设计和运行措施,能够始终将关键部位的过载控制在小于地面重力加速度十万分之一的水平。

此外,在载人航天飞行中,有关科学装置的安装与返回必须配合任务总体上的时间安排。而专用的微重力科学卫星具有机动性强的特点,可以给相关实验装置更大的便利,能够使它们尽量按照合适的时间装载上卫星,并及时返回地面进行分析。

刚刚发射的微重力技术实验卫星,其主要任务是在太空的微重力环境下,对有关的新技术、新设备进行测试与验证,证实它们的确能够如科学家和工程师们设想的那样,实现预期的功能、达到预期的指标,为今后这些技术应用到功能更强大、设计更复杂的各类航天器上奠定基础。(李会超)

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