“实践十号”卫星

佘惠敏

2016年4月6日1时38分，我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”返回式科学实验卫星，在酒泉卫星发射中心成功发射升空。这颗卫星涉及了19项科学实验，是迄今为止我国单次卫星任务中空间科学实验项目及种类最多的。

在顺利完成12天太空飞行后，“实践十号”卫星的回收舱于18日16时30分准确降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域，随后被顺利回收。

“实践十号”傍晚从太空满载而归，科学家们忙着拆箱看宝贝，直到深夜。

10年的期待

“实践十号”是一颗返回式卫星。中国是继美国和俄罗斯之后第三个掌握返回式卫星技术的国家。

“这是中国第25颗返回式卫星，我们准备的时间有10年。”“实践十号”卫星首席科学家、中科院力学研究所研究员胡文瑞院士介绍，2006年发射并成功回收的“实践八号”，是本次任务的前次任务。那时中国科学家就想在返回式卫星上做更多更复杂的微重力实验，并曾筛选出了20个实验项目，但直到中科院开始空间科学先导专项，这颗期待已久的科学卫星才于2012年底成功立项。

中国科学家们为何如此期待微重力科学实验？

微重力科学

微重力科学是力学、物理学和生物学的新兴交叉学科，它主要研究在微重力环境中物质的平衡和运动的规律。在微重力环境中，由地球重力产生的浮力、沉淀、压力梯度等过程基本消失，这就为微重力科学各学科领域的发展创造了极好的机遇，孕育了学术的重大突破。载人空间站和载人空间探索工程需要微重力科学的支撑，而微重力科学的发展推动了许多空间和地面的重大高新技术的发展。

空间科学卫星工程常务副总指挥、中科院国家空间科学中心研究员吴季介绍，地球上的物理现象都会受到地球重力的影响和制约，例如浮力、沉降和压力梯度等，这让我们难以探寻物质本质规律，而宇宙空间的微重力环境可以帮助我们去除这层重力面纱。

“重力消失，是一种极端物理条件。极端物理条件必然意味着重大突破。微重力涉及许多物理学重大问题，比如引力波。”胡文瑞说，微重力环境的实验有望让我们在重大基础研究和应用研究方面取得突破性进展。

中国空间站近几年就要上天，空间站可以做很多微重力实验，为什么还要用返回式卫星来做？

胡文瑞介绍，空间站的实验和返回式卫星的实验各有特色，此前做实验方案设计时，曾与我国载人航天工程的研究人员做过沟通，以避免重复实验。返回式卫星有一些空间站难以取代的优点。比如返回式卫星的微重力水平更高，可以达到10的负6次方重力水平，而空间站的微重力水平一般只能达到10的负3次方重力水平。

“‘实践十号是我国首颗大规模无人微重力实验卫星。”卫星系统总师、航天科技集团第五研究院研究员赵会光说，此次将需要精度最高的实验放在卫星最好的部位，微重力水平可以优于10的负6次方重力水平，而卫星总体环境是10的负4次方重力水平。

返回式卫星的实验成本也比空间站低。“美国运一公斤载荷到空间站，要花费2万美元。俄国用返回式卫星做微重力实验，一公斤载荷的成本是4000欧元。”胡文瑞说。

对于做微重力环境下的生命科学类实验来说，返回式卫星的机动性能更好。生命科学类实验希望实验项目装载时间离火箭发射时间越近越好，这样可以减少重力条件对实验结果的干扰。“实践十号”返回式卫星可以做到在发射前8小时，最后一个实验载荷才装上卫星，实验完成后也可以马上回收相关装置。但空间站做的微重力实验是有人操作实验，发射上天要优先考虑载人航天需要，不管是最后装星还是马上回收，都很难做到。“以前卫星很少在发射之前还安排那么多事情，但这次为了实验需要，我们对加注时间做了调整。”卫星运载系统总指挥、航天科技集团第八研究院研究员谈学军说。

此外，我国返回式卫星是双舱，与俄罗斯的单舱返回式卫星相比，我们可以在其中一个舱做比较危险的实验而不必担心影响到另一个舱。比如在“实践十号”上，就加载了比较“危险”的燃烧类实验。

15天的绽放

“实践十号”卫星的设计寿命为15天，为了这15天的绽放，科学家们对它进行了精心设计。

卫星有留轨舱和回收舱两个舱，将在轨道上利用太空中微重力等特殊环境完成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、空间生物技术六大领域。

这次“实践十号”卫星研制，虽然时间紧任务重，参与者却非常兴奋，因为“每个项目都有很有意思的设计，有潜在的非常重要的科学意义和应用意义”。

例如，由清华大学和华中科技大学两家单位负责的微重力条件下煤粉/煤粒燃烧实验，就对节能减排具有重要意义。“具体煤燃烧过程如果研究清楚了，可以改进地面煤燃烧效果。”胡文瑞说。

至于导线绝缘层和典型非金属材料这两个微重力燃烧实验，胡文瑞说：“这两项燃烧实验就是要观察微重力条件下材料着火、燃烧以及烟气析出的规律，并对比重力条件下的燃烧规律，建立我国自己完整的航天防火规范服务。这将对未来我国空间站的防火问题起到重要作用。”

此外，科研人员还将首次开展微重力条件下的造血干细胞和神经干细胞三维培养研究、哺乳动物早期胚胎发育研究等，为人类疾病的有效预防以及长期空间活动的生殖发育健康和繁衍等提供科学依据，通过揭示空间微重力环境对生命体生理稳态的影响规律及其机理，为未来载人航天的发展提供必要的基础支撑。

为了这15天的绽放，在卫星技术方面，“实践十号”卫星的分系统也得到了较大的技术改进。“这次卫星实验有很多新需求，我们以集成创新方式，提出了新需求的新解决方案。”赵会光介绍，作为我国新一代返回式卫星，“实践十号”卫星实现了三大技术飞跃：一是姿态控制采用小发动机作为推进系统的推力器，可以保证较好的卫星微重力水平；二是以与国际接轨的数据管理系统替代原先的程序控制器，使得遥控指令和遥测数据的安排以及改变飞行程序的数据注入都更加灵活；三是增设流体回路的热控分系统，使卫星回收舱内部的热能有效排到星外，以确保生物样品的温度环境。

令人惊喜的优秀生

“实践十号”能否揭开重力的面纱，帮助中国科学家们发现物理和生命的本质奥秘？在接下来12天的太空之旅中，科学家们发现，它是一个令人惊喜的优秀生！

首先是各项在轨实验数据十分理想。

在轨运行12天，“实践十号”卫星中搭载的19项科学实验，按照既定在轨实验实施细则有序开展，遥测、数传数据完整。卫星下传的科学实验数据主要包括视频、图像以及科学实验参数，同时也得到了与科学实验相关的卫星参数，如卫星留轨舱和返回舱的3轴统计微重力水平、卫星舱内温度等。

“实践十号”卫星科学应用系统副总工程师、中科院动物研究所研究员段恩奎说，依据对卫星下传数据中已获得的空间实验结果初步分析，“实践十号”返回式微重力卫星科学实验进展顺利，总体达到了预期的科学实验要求，取得了预期的科学实验结果，“一些新实验现象已超越国际上对微重力环境下其结果的预言”。

此外，“实践十号”上的实验还能进行远程调控。

有10个项目的科学家看到卫星下传的科学实验结果后，提出了优化调整需求，通过与技术、工程团队的通力合作，利用预案变更途径和应急注入等手段，对其负责的在轨科学实验进行了多次优化与调整，改变了空间实验参数，获得了更为理想的实验结果。

在卫星回家之前，我国科学家已通过“实践十号”卫星下传的实验图像看到一项重大科研成果。

“我们在全球首次实现了哺乳动物胚胎在太空的发育。”卫星中搭载的胚胎培养箱负责人段恩奎非常高兴地说，团队在全球第一次于地面上得到了小鼠胚胎在太空发育的清晰照片。

实验团队的“微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究”项目，携带着数千枚2细胞小鼠早期胚胎，于4月6日搭乘“实践十号”卫星升空。卫星上天十几小时后，从发回的照片上，研究人员发现小鼠细胞开始分裂发育，从2细胞到4细胞、8细胞、16细胞……到60小时后，有些小鼠细胞已发育成囊胚。

段恩奎说，太空中的动物繁衍实验，此前只做成过果蝇、金鳉鱼等非哺乳类动物，但哺乳动物胚胎在太空发育的研究，一直未获成功。1996年，美国NASA在哥伦比亚号航天飞机上曾搭载了49枚小鼠2细胞和8细胞胚胎，但等卫星回收后再观察，这些胚胎没有一个发育。2006年，中国的“实践八号”卫星在完成主要任务航天育种实验的同时，顺带加上了段恩奎参与的小鼠胚胎发育实验。这次实验让我国建立起一套太空胚胎成像系统，照片顺利传回地面，但没有看到小鼠胚胎细胞在太空中的发育。

为了本次搭载实验，研究人员历经10年，用了几万枚胚胎做了上百次的实验，研制出一套适合胚胎在太空发育的密闭培养系统。技术人员也提供了更优良的条件，中科院上海技术物理所的张涛等人将设备齐全的“实验室”浓缩成一个17公斤重、仅有家用微波炉大小的培养箱。卫星发射流程也进行了优化，小鼠的2细胞胚胎样品是在卫星发射前8小时安装进去的，最大程度保障了实验不受地面因素干扰。

现在，卫星已经返回地面，段恩奎表示，收回的样本已被送到实验室进一步分析，判断太空环境是促进还是抑制了胚胎的发育，其机理又是什么。

即将收获的重要成果

“实践十号”卫星有两个舱：回收舱和留轨舱。回收舱返回后，卫星留轨舱继续在轨工作。目前留轨舱全部8个项目的空间实验计划已排定。煤燃烧实验按照预定的方案主要在留轨段完成；其他实验项目各有1～2次的空间实验机会，完成预定的科学实验以及开展部分拓展实验。卫星留轨段让我们有机会开展危险性、拓展性的科学实验，它将是对前期在轨段实验的有益补充。期间，科学实验结果仍通过卫星原遥测、数传发射机下传。

而搭载“实践十号”卫星回收舱返回地球的科学样品涉及11项空间科学实验，其中2项为微重力科学实验，剩余9项为空间生命科学实验，涉及领域包括：微重力流体物理、空间材料科学、空间辐射生物学效应、重力生物学效应、空间生物技术等。

这些实验的负责人都迫不及待地来到内蒙古回收现场，接收他们的宝贝成果。

回收“植物培养箱”的上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员蔡伟明说，他们培养的是模式植物，项目属于重力生物学范畴，研究植物怎么感受失重，怎么把这种物理刺激变成生物化学信号传下去，会产生什么影响。

“已经发现，植物细胞壁会受微重力环境影响，变得松弛。植物在地球上从没接触过微重力环境，面对新环境，它产生了新的适应。这个新发现为我们研究生物适应性提供了新依据，我们还将根据回收样品做进一步分析研究。”蔡伟明说。

浙江大学教授王金福此次来回收“骨髓培养箱”，这是浙江大学和中科院空间科学院的合作项目。

“宇航员进入太空后回来，骨质变化很厉害，一个宇航员在太空一个月丢失的骨质相当于孕妇一年丢失的骨质。”王金福说，这次研究的目标，就是在真实空间看人的骨细胞分化能力与地面比较会有什么变化？导致分化能力变化的原因是什么？关键的细胞信号分子是什么？这样可以有针对性地开发出新药物，促进骨细胞生殖，维持骨质平衡。

中科院力学研究所研究员徐升华来回收中欧合作项目“Soret实验箱”和“Soret控制箱”，这个研究微重力环境下石油组分热扩散效应的实验，对石油开采有应用价值，“一个深海油田的油井，打井费用上亿元。在微重力环境下对石油组分热扩散效应进行研究，可以排除地面重力因素干扰，精确测量相应的Soret系数，进而帮助建立模型，对地底石油组分分布和油气界面位置进行精确预测，提高石油开采效率，减少开采成本”。

无论是回收舱还是留轨舱，这19项实验将有不少后续处理和研究分析工作，它们将带来一大波具有自主知识产权的重大创新科技成果，帮助科学家们突破生物技术、高新材料和生命科学等领域的难题。