俄罗斯“光子”科学卫星解密

□ 李浩悦

“光子”M4卫星是俄罗斯最新研制的科学卫星，于莫斯科时间2014年7月18日从拜科努尔航天发射场升空，星上载有壁虎、果蝇、蘑菇、植物以及多种微生物，还有22套科学仪器。目的是在微重力条件下获得失重的新知识、探究半导体材料生产工艺、改进生物医学药物性能以及开展生物和生物技术科学研究。2014年9月1日，“光子”M4卫星在运行42天后在俄罗斯奥伦堡成功着陆。本文对该卫星的任务及相关情况进行综合介绍。

“光子”系列卫星发展回顾

“光子”、“光子”M系列卫星是俄罗斯“中央专业设计局-进步”国家火箭航天科研生产中心研制的科学卫星，用于进行太空科学技术实验、生产各种工业和科学材料和生物制剂，以及开展国际合作项目。配套协作单位还有俄罗斯航天地面基础设施运营中心、中央机械制造研究院、科学院生物医学问题研究所及萨马拉国立航空航天大学等。

在1985-1999年期间，俄罗斯发射了12颗“光子”卫星，在2005-2007年又发射了“光子”M1、M2卫星（表1），这些卫星进行了下列6类科学实验：

①开展用大规模定向结晶方法获得半导体材料的技术实验；②培养不同物质晶体；③获得生物活性物质；④研究失重物理问题；⑤开展细胞生物学实验；⑥研究开放宇宙空间对生物体的影响。来自俄罗斯、比利时、瑞典、西班牙、意大利、英国、德国、加拿大、中国、荷兰、美国、法国、捷克斯洛伐克等许多国家的专家学者和科学设备研制人员参与了相关工作。

表1 “光子”和“光子-M”系列卫星发射情况

“光子”M4卫星结构

为了在太空生产技术实验领域继续研究新材料和高纯物质，俄罗斯“中央专业设计局-进步”国家火箭航天科研生产中心以“生物”M卫星为基础，最新研制了“光子”M4卫星，该航天器能够实施更大规模的航天技术、生物技术、材料科学方面的计划项目。

“光子”M4卫星主要由三部分组成：返回舱、仪器舱和部件舱。返回舱是球形密封结构，壳体由铝合金材料制造，外表面有热防护涂层，壳体上有安装维护仪器的舱口。仪器舱是锥体和柱体相结合的密封结构，外部安装仪器和运动控制系统、温度调节系统部件，指控测量系统和遥测控制系统天线，制动发动机装置，内部是保障设备。部件舱是柱形密封结构，装有化学电源和温度调节系统部件。

“光子”M4卫星重6280千克，其中科学设备重850千克

“光子”M4科学试验任务

“光子”M4卫星的飞行试验是对国际空间站俄罗斯舱段应用科学研究的重要补充，其任务主要是进行生物医学试验、科学项目试验和太空材料研究试验。

本次“光子”M4卫星的太空生物医学研究包括8项试验：

①“壁虎”F4（ГЕККОН-Ф4）试验，主要目的是研究微重力对成年动物机体的影响、它们的性行为及胚胎发育，试验过程进行连续的视频记录。

②“荧光探测器”（ФЛУОТРЕК）试验将研究太空飞行中细胞内系统状态的变化动态。为此在不同的飞行阶段，借助荧光探测器记录线粒体的膜能量，以及分析温度对试管内细胞功能调节过程的影响。

③研究利用微生物获得电的过程，在失重条件下发电，在“生物电学”（БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО）试验框架下进行。研究目标是电极（阳极和阴极）和微生物燃料构成的离子交换膜，以及微生物团体和纯微生物-发电机。

“光子”M4卫星外形结构

④“微生物生长”（БИОФРОСТ）试验的目的是研究太空飞行对来自多年冻土层的微生物综合体的影响。

⑤“微生物辐射-F”（БИОРАДИАЦИЯ-Ф）试验研究太空离子辐射的性能，及其对暴露在宇宙空间和卫星内部的生物体的影响效果，研究对象是干燥的种子，蚕卵及其他不需要在太空飞行中维持生命活动的生物体。

表2 “光子”M4卫星主要性能参数

⑥“陨石”（МЕТЕОРИТ）试验用于研究微生物在模拟陨石和小行星的材料中的生存能力。

⑦“真菌学”（МИКОЛОГИЯ）试验开展纯菌类微生物、侧耳，以及叶状体蘑菇共生体（绿皮地卷）在太空飞行中的生长和发展结构功能研究。

⑧“生物变化”（БИОТРАНСФОРМАЦИЯ）试验的研究对象是有氧微生物培养。试验目的是用微生物方法研究聚乙烯薄膜降解的过程。

“光子”M4卫星的科学项目包括十多个试验：

“随航技术设备-15”（КБТС15）是“光子”M4卫星的一项重要科学仪器，用于开展在无重力条件下培养对红外设备、发生器和不同辐射的传感器有独特作用的半导体晶体技术试验，以及研究微重力条件下的工艺过程，设备组成包括：①自动化的电真空炉“偷渡客-2”（Полизон-2），加热温度1200℃，用于以区域融化法培养晶体，电炉装有用于影响结晶过程的磁扰频器和振荡器；②技术程序自动控制系统，包括温度监控；③电炉真空处理系统；④带实验材料的密封容器。

“随航技术设备-15”（КБТС15）主要用来进行下列试验：

“偷渡客-2”电真空炉

“蛋白质”科学设备

·“微结构”（Микроструктура）-用定向结晶方法培养高度完善的蛋白晶体。未来打算在太空飞行条件下进行这种晶体的工业生产，这种晶体可用于制造治疗肿瘤疾病的新药和纳米生物感应器。

·“金属间化合物”（Интерметалл）-金属间化合物在微重力条件下定向结晶，用于获得新的金属合金。

·“富勒烯”IFTT（Фуллерит-ИФТТ）-低重力和振动环境对富勒烯晶体生长的影响，用于获得指定特性的新材料。

·“均匀性”（Однородность）-研究微重力条件高均匀性对半导体(Ge,GaSb)单晶生长过程的影响，试验可优化当前高效热光电转换单晶生长的地面工艺技术。

此外，“光子”M4卫星还装有用液体扩散及气体环境扩散法培养蛋白质晶体的“蛋白质”（Белка）科学设备。很多蛋白质在地面条件下无法晶体化，在太空失重条件下可在特定模块中进行。

安装在卫星上的仪器“量规”（Калибр）， 用于研究微 重力对相变温度的影响，研究结果将在当前建造中的世界地球观测系统 (GEOSS)上应用。在“光子”M4卫星上还安装了“振动”FM（Виброеон-ФМ）、СВС-ФМ，“防振”（Виброзащита）等仪器。所有的研究都有应用特性，用于完善一系列技术。太空飞行结束后，“光子”M4卫星上所有返回舱内部带试验样品的科学仪器返回地球，以做进一步研究。

实验结果有待揭晓

“光子”M4卫星发射后，曾于7月23日和地面失去联络，所幸技术人员在两天后重新建立了联系。俄罗斯航天局领导人奥斯塔片科当时表示，卫星没能抵达预定的575千米高度轨道，这一点无法改变，但大部分实验也依然可以进行。

2014年8月27日，俄罗斯国家委员会召开会议，讨论了在“光子”M4卫星上完成科学实验的结果，并决定让“光子”M4卫星着陆器尽快返回地面。

9月1日，“光子”M4卫星在俄罗斯奥伦堡州着陆。研究人员发现，所有5只壁虎全部死亡，但是果蝇和微生物还活着。俄专家称，除了有关壁虎的试验外，其他试验都完成了。

俄塔斯社9月3日报道，专家在对壁虎解剖分析后认为，它们约在着陆前2天内同时死亡，原因可能跟压力急剧下降有关。

俄罗斯科学院医学生物问题研究所副所长表示，在“光子”M4卫星上的果蝇试验取得重大成绩。这些果蝇在太空飞行了42天，这是以往的试验不曾有过的。对返回地面的昆虫的研究，有助于人们理解动物器官在太空飞行中的调整适应过程和遗传变化。

表3 KBTS-15设备的主要特性：

相关链接

表4 “光子”M4卫星的试验设备情况

用于太空材料科学领域研究的科学仪器仪器名称 仪器研制（试验管理） 试验项目 规划的试验成果应用КБТС15 КАЛИБР ВИБРО КОН-ФМ航天地面基础设施运营中心发射设施研究所（航天地面基础设施运营中心发射设施研究所，俄罗斯科学院结晶学研究所航天材料学研究中心，俄罗斯科学院固体物理研究所）航天材料学领域基础研究，获取大批量晶体。“光子”M卫星上的主要航天科研设备之一是“偷渡客-2”电真空炉，炉内装有可放置12个原料密容器的仪器箱，每个密封容器轮流进入炉中以指定的温度加热，并以指定的速度从炉中抽出，晶体在密封容器内生长。利用这样的装置进行下列试验：微重力条件和参数对高度均质半导体（Ge，GaSb）单晶培养过程的影响（项目代号“均匀性”）在微重力条件下用定向结晶方法培养高度完善的蛋白晶体（代号“微结构”）在微重力条件下金属间化合物的定向结晶（ 代号“金属间化合物”）低重力和振动对富勒烯晶体生长的影响（ 代号“富勒烯”IFTT）在微重力条件下获得带掺入均质亚微米合金化添加物的Ge:Ga和GaSb:Te，用以优化现有的地面高效热光电转换单晶培养工艺技术，未来打算在太空进行单晶工业生产在太空飞行条件下获得巨生物分子晶体并进行后续的地面研究，包括：磷酸化酶，用于制造治疗肿瘤的新药；漆酶晶体，用于制造纳米生物感应器；核糖体钝化蛋白晶体，用于制造新药-免疫毒素。今后打算在太空进行这些晶体的工业生产修订现有的金属间化合物由融化到非平衡定向结晶的结晶模型（获得特定性质的合金材料。模拟在太空生产这种金属的可能性）在微重力条件下获得结构缺陷的低密度富勒烯晶体（获得特定性质的合金材料。模拟在太空生产这种金属的可能性）俄罗斯科学院全俄光学物理测量研究所（俄罗斯科学院全俄光学物理测量研究所，中央机械制造研究院）材料学基础研究：《测量共晶体合金 Ga-In、Ga-Sn及纯Ga融化/结晶过程的加热-冷却温度曲线》（设备和航天试验代号是“量规”）研究微重力对相变温度特性的影响，研究结果可用于正在建造的全球对地观测系统（GEOSS）无线电测量校准设备所采用的基准中央机械制造研究院（俄罗斯科学院机械问题研究所，中央机械制造研究院）研究微重力条件下受控振动对模拟定向结晶中液相热质传递过程的影响及在多相环境中的生长过程《测定扩散液体在彼此不混溶的液体系统中扩散和分布系数》以直接观察被测物体的运动来确定微重力环境（代号“动力学”FM深入理解获得大量工业产品所用的液体环境的过程，以提供完善工艺的可能性。获得补充数据，优化计算微重力对不同液体影响的数学模型（可能用于解决与计算微重力影响相关的问题）СВС-ФМ 中央机械制造研究院（俄罗斯科学院结构宏观动力学研究所）在失重条件下自我繁殖高温合成过程基础研究两项超高温合成多孔复合材料（指定结构）的试验。模拟这种材料在太空飞行条件下工业规模生产的可能性БЕЛКА 航天地面基础设施运营中心发射设施研究所开展用液体扩散和气体扩散方法培养蛋白晶体的试验研究在液体和气体环境中培养特别大的蛋白晶体的可能性

“光子”M4卫星返回舱外部的科学仪器

“光子”M4卫星返回舱内部的科学仪器

用于开展不同研究的科学仪器设备仪器名称 仪器研制（试验管理） 试验项目 规划的试验成果应用ИМ-ФМ ВИБРОЗ АЩИТА中央机械制造研究院（俄罗斯应用数学研究所，中央机械制造研究院）开发用于记录微加速度的仪器设备 以开发记录微加速度为目的的应用研究中央机械制造研究院（俄罗斯科学院机械问题研究所，中央机械制造研究院）振动对热转移影响的基础研究 研究获得工业产品的过程，完善工艺技术КСКМ 萨马拉国立航空航天大学测量返回舱内部磁场变化、计算返回舱内部制定位置在0～0.01赫兹低频段的微加速度、模拟微加速度调整的应用研究修订太空飞行对航天器单独部件的影响МРТ 俄罗斯科学院复杂系统控制问题研究所在航天器飞行的所有阶段多通道记录КНА-Ф局部区域温度数值研究航天器飞行所有阶段КНА-Ф局部区域温度数值变化