揭秘可返回太空"实验室"的五大绝活

作者:上海建筑防水有限公司  来源:www.yxjzfs.com   发布时间:2018-05-03 18:23:23
揭秘可返回太空"实验室"的五大绝活   实践十号卫星模拟图   中国科学院国家微重力实验室试验装置   微重力环境下盛开的花   人类未来能否能穿越星际,在宇宙中长期生存?人类能否到太空中去繁衍后代?宇宙飞船或者空间站着火了怎么办?如今困扰各大城市的雾霾如何治理?……对于这些问题,现在我们或许还没办法全面回答,不过中国科学家未来两周将在太空中进行的19项实验,将为回答这些问题提供思路。   为这些实验提供场地的是一颗放大版的“子弹头”。它的全名叫实践十号返回式科学实验卫星,是我国首颗微重力科学实验卫星。4月6日凌晨,它在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空。为了打造这个太空“超级实验室”,中国已经准备了10年,是中科院空间科学先导专项首批立项研究的科学卫星中准备时间最长的。   6大领域、19项实验,这是中国迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的空间任务。更重要的是,这些实验都是国外没有开展过的,因此极有可能孕育重大学术突破。   那么,这些实验将怎样改变我们的生活?作为中国空间先导专项“四先锋”中的“老二”,实践十号有哪些绝活儿?中国将在2020年前后建成永久性空间站,为何又要打造这种可返回的太空“实验室”呢?   ①揭开地球重力场掩盖的面纱   地球上的物理现象都受到地球重力的制约,比如浮力、沉降等。“地球重力场是盖在物质运动规律和生命活动规律上的面纱,不揭开就无法看到很多问题的本质。”中科院国家空间科学中心主任、空间科学卫星工程常务副总指挥吴季说。   对科学家来说,宇宙空间就是一个很好的实验室。在太空环境下,重力或其它外力引起的加速度约为地球的百万分之一,是一个近乎失重的环境,而且太空中充斥太阳耀斑和日冕物质抛射时产生的太阳高能粒子,高能量、穿透性强的银河宇宙射线等,能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。   需要说明的是,航天器或者人类在太空中的“失重”并不等于“零重力”。通常来说,航天器在太空中飞行时,由于只受地球、月球、行星、太阳等天体的引力作用,航天器及其内部的物体的确处于失重状态。但这只是一种理想状况,因为航天器内的物体并不都在航天器质心位置,有时航天器的旋转或发动机工作也会产生推力。在这些情况下,航天器及其内部的物体会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”。   卫星里物体的重力有多“微小”呢?航天科技集团五院实践十号卫星系统总设计师赵会光表示,这方面,俄罗斯返回式卫星已达到百万分之一的技术指标,实践十号整体重力优于万分之一,部分时段或位置已达到百万分之一,能提供一个高效、短期、综合的微重力空间实验平台。   ②为人类走向太空铺路   实践十号卫星将开展的这19项科学实验,涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术等6大领域。其中,8项流体物理和燃烧实验将在留轨舱内进行,另外11项科学实验将在回收舱进行。欧洲空间局和日本宇宙航天研发机构各参加了一个科学实验项目。   正如该卫星首席科学家胡文瑞院士所说,“我们绝不会重复别人的实验。”细数这些实验,各项都堪称“高大上”。它们是从200多项申请中精挑细选的,国外还没有进行过的,“这就意味着重大科学突破的可能。”   例如,要实现未来人类的星际移民,基础研究是弄清楚像人类这样的哺乳动物在太空能否正常繁殖。几年前,日本研究人员曾在美国网络科学杂志《科学公共图书馆?综合》上发表报告称,在太空微重力等环境下,哺乳动物正常的胚胎发育可能会受到阻碍,因此繁衍难度较大。迄今为止,在空间微重力实验条件下,成功进行哺乳动物早期胚胎发育体外研究的报道并未出现。   为此,实践十号首次把小鼠早期胚胎带上了太空。中科院动物所研究员段恩奎说:“我们以小鼠细胞胚胎为研究对象,对其进行培养并显微实时跟踪观察,看它在微重力环境中能否继续分裂到8个细胞、16个细胞……观察在微重力情况下,哺乳动物胚胎能否和在地球上一样正常发育。”此外,实践十号还有望将这一发育过程拍摄下来,这也是世界首次。   要进行更长时间的载人空间飞行,航天器舱内防火是大事。微重力环境比地面更容易着火,而且着火点不易发现,很难扑灭。对此,美国阿波罗13号飞船、俄罗斯的和平号空间站都有过惨痛教训。   中国将在2020年前后建成有人长期值守的空间站,防火问题就凸显出来了。在这一过程中,哪些材料能用?哪些材料不能用?如何发现火情?怎么灭火?这一系列问题都要靠大量的太空实验来解决。   此次实践十号计划开展的“导线绝缘层着火实验”和“典型非金属材料着火实验”就是要在卫星内“烧上几把火”,观察微重力条件下特定材料的着火和燃烧的特性,并与重力条件下的燃烧进行对比。   此外,为了研究空间辐射对基因组的遗传效应影响,果蝇也被“请”上太空。为了研究太空辐射引起的生物基因组变化,实践十号携带了水稻种子、拟南芥种子和线虫进行观察;另外还携带1000多只家蚕,其中一些将在太空中孵化。太空环境会使它们产生一些显著的变异,我们能从中筛选出一些有用的变异,并保留下来。   ③这些实验将改变人们生活   还有一些实验不得不提,因为它们或许将改变人们的生活。   例如,现在各大城市深受雾霾之困,燃煤是一大原因。近些年的统计数据表明,我国火电占比达70%到80%,其中大部分靠燃煤发电。   此次实践十号搭载了煤燃烧实验项目。中国科学家们选择了3种我国的典型煤种,在实验装置中点燃,观测不同炉温、不同煤种、不同粒径和环境气体成分条件下的单个球形煤颗粒和煤粉颗粒群的燃烧全过程,并记录下火焰形状、颗粒表面变化、挥发和释放现象等,试图完善燃烧的理论和模型。   航天科技集团五院总体部返回式卫星专家高振良表示:“如果把燃烧研究透,我们就可以把燃煤的效率提高,切实减少空气污染。”   由于全球石油开采量越来越高,找油成本也随之增加。其实,油田中的石油分布和油气界位置是存在规律的,这需要科学家们研究清楚石油的热扩散效应。然而,在地面常重力条件下,科学家们无法获得不受对流干扰的理想热扩散过程,因而难以得到相关的准确数据。此次实践十号卫星搭载了中欧合作研制的仪器设备和各种石油样品,或许两周之后科学家们能获得惊喜。   此外,实践十号还将开展晶体生长实验,以研制满足现代微电子工业需要的高质量半导体和合金材料;开展胶体有序排列及新型材料研究实验,有望获得大尺寸、高品质的金属纳米晶体等。   ④这个实验室浑身是宝   从上世纪80年代后期,我国就开始利用返回式卫星做微重力科学实验,但都是搭载在其他用途的卫星上。实践十号是第一颗专门为进行微重力科学和空间生命科学研究而发射的卫星。   这颗卫星整体为柱锥组合体形状,像一颗放大版的子弹头,高约5.2米,直径超过2米,“肚子”里装了19项实验所需的29个铝合金箱子,总重量近600公斤。   作为中国打造的新一代返回式太空“超级实验室”,实践十号的问世历经10年之久,是中科院空间科学先导专项中准备时间最长的科学卫星。科学家们在上面安装了很多新设备和新系统,让这颗卫星变得浑身是宝。   首先,“身子骨”很硬。据该卫星系统总设计师赵会光介绍,为了控制回收舱返回大气层时产生的高达几千度的热量,科学家对回收舱热控系统进行了更改,同时为舱体制备了防摩擦和耐热的特殊材料,能把大量的热量迅速带走,练就了卫星的“钢筋铁骨”。   其次,“体型”更轻盈。相比老一代返回式卫星的“身宽体胖”,实践十号择优选用了近年来研制的各类高精尖产品。例如一体化红外地球敏感器、一体化太阳敏感器等,它们都是构成实践十号控制系统和推进系统的核心设备。实践十号控制系统主任设计师战毅说:“通过一体化、高集成度的设计方式,体积和重量大幅下降,为实践十号留出了更为充裕的搭载空间。”正因为如此,实践十号才搭载了史上最多的29个铝合金箱子。   再次,回收监控打通“最后一公里”。以往,航天器返回过程中常见的“黑障”阶段是没法监控的,那几分钟里科学家们只能焦急地等待。此次,科学家为实践十号安装了脉冲雷达应答机,不仅让其回收舱在穿越“黑障”时仍然有信号,同时极大提高卫星落地时的测量精度。   还有一个问题是,如果回收舱返回时不幸掉到水里怎么办?科学家们早已未雨绸缪,在回收舱的主降落伞顶部安装了一个浮囊,让其即便掉到水里也不会沉下去。   值得一提的是,此次回收舱的返回地点和搭载航天员完成天地往返的神舟飞船一样,都在内蒙古四子王旗,但返回方式和神舟飞船有很大区别。航天科技集团五院实践十号卫星总指挥邱家稳解释说,飞船由升力控制来实现返回,能够准确地着陆在预定地点,简化设计的实践十号少了这一环节,这要求其返回舱在与留轨舱分离时参数要十分精确。   ⑤实验室未来能重复使用   “将来我国要发展重复使用的航天器、卫星。”邱家稳表示,过去返回式卫星使用的设备已经在实践十号有所应用,但还是单独的设备级。   我国是世界上第3个掌握返回式卫星技术的国家。在发射实践十号之前,我国已先后成功发射了23颗返回式卫星,成功回收了22颗。那么,既然我国已经开始建空间站了,为何还要发射这种可重复使用的返回式卫星呢?   胡文瑞对此解释说,一是卫星的微重力水平更高。像实践十号可以达到地球表面重力的百万分之一,而太空站上仅为地球重力的千分之一,而且像太阳能帆板等机械动力和人的活动干扰可能给实验结果带来影响;二是卫星的机动性高。比如此次胚胎实验可以在发射前8小时才装到卫星上,如果搭载在载人飞船上就做不到这一点,而且返回式卫星的实验结果可以及时回收,这又是空间站做不到的;三是卫星风险小,造价低。因此,发展可重复使用的返回式科学卫星是对未来空间站任务的一个有力补充。   此前,美国国家航空航天局耗资巨大的航天飞机、美国蓝色起源公司和美国太空探索技术公司进行的火箭回收等,都希望打造可重复使用的可回收航天器,以降低航天发射成本。   中国科学家们目前正在实验火箭、卫星等航天器的回收攻关。如何从美国航天飞机项目的失利和其民间科技公司实现火箭回收的成功中获得启发?如何积极引入市场力量,发挥众创活力?对于未来渴望实现更大程度的商业化、大众化和深入参与国际竞争的中国航天来说,解答好这些问题显得尤为重要。

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