 导语 “天宫二号”任务中有一项非常重要的工作，即开展较大规模的空间科学实验和应用试验，包括微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用、应用新技术试验等多领域的科学研究实验。能搭乘“天宫二号”上天的实验，无疑都属于最前沿的科学领域。哪些科学实验能够“上天”？它们具有何种价值呢？实验在太空又是如何操作？恶劣的太空环境又对实验提出了怎样的要求呢？ 导语 “天宫二号”任务中有一项非常重要的工作，即开展较大规模的空间科学实验和应用试验，包括微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用、应用新技术试验等多领域的科学研究实验。能搭乘“天宫二号”上天的实验，无疑都属于最前沿的科学领域。哪些科学实验能够“上天”？它们具有何种价值呢？实验在太空又是如何操作？恶劣的太空环境又对实验提出了怎样的要求呢？ 一、特殊的太空环境太空环境在很多方面都异于地球表面环境，相比地球表面环境，太空环境可以称得上是极端环境，但正是在极端物理条件下，物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能会发生变化，这就意味着重大科学发现的可能。 1.微重力 由于太空和地球表面环境有很大的不同，地球表面为1G重力环境，在太空则为微重力环境。当航天器在太空中高速飞行时，高速运动产生的离心力与地球引力达到了平衡，在这种情况下，航天器及其内部的物体相互之间没有拉、压、剪切等作用力，即处于接近无重力的状态。  实际上，航天器还会受到太空微小空气阻力作用，航天器内的物体并不都在航天器质心位置，有时航天器会旋转或发动机工作会产生推力。在这些情况下，航天器及其内部的物体表现出有微小的重量或者产生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，这种作用力称为“微重力”。 微重力环境下，有望发现被地球重力掩盖的物质的特殊运动规律，这就意味着有可能产生重大的科学突破。因此，微重力环境是一种宝贵的资源，人类可以利用它开展地面上难以进行的科学实验，进行先进材料加工和药物蛋白质结晶等试验，从而指导地面改善材料加工工艺或进行基于结构的药物设计。 2.高辐射环境 太空辐射是一种包含伽玛射线、高能质子和宇宙射线的特殊混合体。辐射也是天体上能量传递的一种基本方式。在地面条件下，人们会受到浓密大气层的有效保护，通常只会受到极微量宇宙射线的照射。然而在失去大气层保护的太空中，辐射的影响就不能被忽视，银河系宇宙线往往是高能、高穿透性的粒子，普通飞船提供的适度防护无法阻止它们，就算飞船的外壳用30厘米厚的铝板制成，也会残余不小的辐射剂量。所以，太空辐射的实际危险远不是我们实验室里能估计得到的情况。  这种恶劣的太空辐射环境同时也给予了太空实验独特的环境，例如今年的4月升空的实践十号返回式科学实验卫星，就搭载了这样一项科学实验：空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究。这项研究通过三种对比实验来研究空间辐射对基因组的影响。科学家试图通过研究辐射来寻找恰当的应对方法，为太空辐射的风险和防护研究提供新的基础数据和检测手段，保证人类长期空间活动的顺利进行。 3. 航天器轨道 绕地飞行的航天器的轨道虽然不外乎圆形和椭圆形两种，但可能方向和形态却是差别很大，轨道形状与航天器入轨时的速度和方向有关，究竟采用哪种形状的轨道，则是由航天器的功能和用途决定的。不同轨道高度的航天器在观察地球、通信广播、导航定位和大地测量等方面都有差异。因此，并不是轨道越高就能观测更多地球信息，也并非轨道越低传达的信息越准确，而是要根据不同航天器的任务设计不同的轨道高度。  4.太空中的细菌 不论人类走到哪里，都会发现细菌的踪迹。一旦人们身处太空，不论时间长短，细菌都会以欣欣向荣之姿茁壮生长。微生物无处不在，宇宙飞船中也是如此。  现有的研究证实，不论是微重力还是模拟微重力环境下培养细菌，细菌培养环境发生改变，间接地对细菌造成影响，这会利于细菌的培养。科学家发现模拟微重力下大肠杆菌抵抗酸性、热应力和渗透压等能力增强，耐药性也增强，出现了上百种基因的表达变化。因此，探明太空环境对细菌影响的机制，不仅可以保障航天员的健康，而且可以评价岁航天器返回地球细菌的毒性及耐药性，保障人类的健康。 二、载荷“上天”要过关科学家的科学实验如果要在太空中进行必须要满足上天的要求，即航天标准，也就是要在“机”、“热”、“电”等方面满足航天要求。 1.“机”为机械结构设计。科学实验设备的机械结构要满足相应的力学要求，并且要经受得住火箭发射阶段的振动和冲击，因此科学实验设备要在地面进行振动试验和冲击试验，即通过人为给实验设备添加火箭发射过程中的振动和冲击，检验试验设备的可靠性。如果设备不能经受住这样的考验，设计人员就要对试验结果进行分析，在设备外壳需要加强处理的地方重新设计，然后再进行相同的试验，直到满足发射要求为止。  2.“热”为热控设计。如同只有维持在36-40°之间和一定的气压环境下人体才能正常工作和生活一样，试验设备一般包含了成千上万的元器件和结构件，大部分部件只能在特定的温度环境下工作。然而试验设备上天以后绕着地球旋转，太阳一会儿照射设备一会儿不照射设备。可谓是“忽冷忽热爱感冒”，实验设备“感冒”后也就不能正常的工作了，因此在实验设备必须具备自我温度调节的功能。热控设计就是要在设备外温度变化的情况下维持设备内部组件的正常“体温”，即使是在真空环境下，也要把体内的温度维持在一个合理的范围内。  3.“电”即电子学设计。电子学设计相对比较广泛，包括电路板设计、软件设计、电磁兼容设计等。其功能也是要满足试验设备的正常运行，如果将设备比喻成人的身体，电子学解决的问题主要有：① “吃饭的问题”，即可靠电源控制技术，针对复杂多变的有效载荷供配电需求，提供高可靠电源控制，为有效载荷创造安全、稳定、可靠的供电环境。② “感知和运动”的能力，即精密测量与控制技术。针对空间有效载荷的精密测量和控制需求，进行有效载荷的各类传感器信号的采集和处理，以及有效载荷运动部件的控制和精密振动控制。③ “记忆的能力”，即有效载荷信息存储技术。针对航天器有效载荷海量空间应用数据的高可靠存储需求，对先进在轨实（试）验提供信息存储支持。④ “交流的能力”，即有效载荷信息网络技术。针对航天器内部有效载荷产生的海量科学实验数据，提供能够进行实时信息获取、传输和处理的网络系统。  三、你的实验能“上天”？普通公众如果想把自己做的实验送到太空，在地面就要进行充分的验证试验，所涉及到的方法主要有计算机仿真和地面验证技术。 在太空探索过程中的所有航天器或者机器人，在上天之前都要进行充分的计算机仿真试验，在给定空间环境参数的前提下，验证试验的结果是否能够达到预期效果。  其次就要进行地面验证试验，最著名的验证手段就是气浮台试验。将试验装置安装在坚硬的大理石平台上，通过在接触面安装高压气浮装置，使接触面形成一层薄薄的气膜，这样就能消除物体之间的平动摩擦力，从而可以验证包括两个平动和一个转动在内的三自由度运动。通过更换不同的自由度来验证6自由度的试验。 对微重力环境要求较高的试验可以选择进行落塔或失重飞机试验，两种试验方式可分别获得几秒和几十秒的失重环境，以此来验证6自由度的试验。6自由度即物体在空间具有六个自由度，沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度 。因此，要完全确定物体的位置，就必须清楚这六个自由度。  从神舟系列飞船到天宫二号，中国航天事业逐渐开拓，载人航天“三步走”的发展战略也稳步进入第二阶段。预计在2020年左右，中国将建成自己的空间站，届时，中国空间站将成为中国空间科学研究和新技术试验的重要基地。未来，越来越多的实验将在空间站中开展，越来越多的设备将会被“送上天”，越来越多的数据将会被存储与传输，一起期待吧！ 专家支持：中科院空间应用工程与技术中心 |
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