本月网红上过天

谢博

如今月月有网红，张张都一样，但是4月水平特别高。即使不说高大上的19项微重力科学和空间生命科学实验，单就这上天又返回的本事，一般人模仿不了。接下来咱们就详细说说高端网红“实践”10号的八卦。

4月6日1时38分，我国首颗微重力科学实验卫星——“实践”10号返回式科学实验卫星，在酒泉卫星发射中心由“长征”2号丁运载火箭发射升空，进入预定轨道。12天后，返回舱返回蒙古四子王旗，仪器舱再留轨工作3天。作为航天任务中的一员，“实践”10号稍有些惊喜地上了多个头条，成为了网络热搜词。由于大名有些拗口，下面我们就用网名“实10”代表它吧。

微重力的奇妙幻境

本次“实10”的重要任务是微重力实验。有小伙伴就要问了，微重力就是重力很小的意思吗？很抱歉地通知您，猜错了。

按照我们的理解，重力是由地球引力引起的，但是即使是离开地球表面几百千米，受到引力仍然没有减少太多，因此并不是重力变小了。卫星或者空间站的失重可以简单理解为失去支撑。那怎么解释微重力呢？我们先从失重出发，从比萨斜塔扔下的铁球做自由落体时，我们知道这是失重。但是，铁球真的就一点儿支撑都没有了么？还有空气阻力嘛。在太空中，同样存在稀薄气体等因素，使得失重中的卫星会存在短暂微重力状态。

在微重力环境中会出现一些与重力环境不同的物理规律，十分奇妙。例如，流体中浮力和静压力消失，基本没有引力引起的流体自然对流，扩散过程成为主要因素：液体的约束力来自于表面张力：毛细现象和润湿现象（液体在另一种物体表面的扩展现象）加剧。所以，在微重力环境中进行科学实验具有重要意义，能消除所有重力引起的不利因素，进行微重力物理、生物、生命等领域的研究，并进行有关生产制造和加工工艺试验，开展微重力应用研究。

目前，不少国家的科学家们都想利用多种方式营造微重力环境开展研究，比如抛物线飞机、探空火箭、宇宙飞船、空间站等实验平台，但它们有的只能提供几分钟甚至更短的微重力环境，有的则价格昂贵，带回样品比较有限，周期也较长。这对空间生命科学等一些短周期科学实验有较大限制，要想进行时间和价格都合适的微重力研究，返回式卫星是一个很好的选择。这种航天器运行周期短，适合开展短周期的空间科学实验。它以其系统简单可靠、成本低、应用便捷等优势，成为一种有效的空间服务手段。我国返回式卫星技术现已比较成熟，在此前入轨的23颗返回式卫星中，成功回收了22颗。而我国上一次发射返回式卫星要追溯到10年前的2006年的“实践”8号。

返回式卫星多个“第一”

作为我国新一代具有安全回收、适应中长期在轨试验、应用灵活和成本低廉的空间科学实验平台，实10承载能力、微重力水平、实验载荷服务支持能力等较以往返回式卫星均有进一步提升。我们知道以往返回式卫星一般为椭圆轨道，而實10根据任务要求调整了轨道设计，变为圆轨道。这一由“橄榄”变“圆环”的改变，大大提高了微重力水平，为更好地开展微重力环境下的科学实验提供了有力的支撑。

以往返回式卫星的“回家”地点遂宁，而实10选择在内蒙古四子王旗回收，这主要是目前遂宁山区人员密度增大，新建房屋林立，为了保护当地百姓的人身和财产安全，同时也为了卫星搜寻回收，于是放弃了遂宁，而选择了具有比较成熟回收条件的四子王旗。

下面这个首次，有些技术门槛，我试着解释给大伙。实10首次在返回式卫星上采用流体回路系统，这大幅提升了载荷功耗的承受能力，以满足开展异常复杂科学实验的要求。比如，卫星将原来的程控、遥测、遥控分系统的功能整合，形成了数管分系统；为了适应19项科学实验项目的数据管理要求和微重力平台能力需要，首次构建了基于数管分系统和服务支持子系统的两级构架机制，以便于更好地适应多任务、多载荷的适配要求。

为精准测量卫星的在轨微重力水平，实10首次采用了高精度、多模式工程参数测量分系统。利用这一新增的分系统，能够用数据说话，准确地告诉科学家们平台的微重力是多少，便于更好地开展空间科学实验。

从返回到可重复使用

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”10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。它们分为6种型号，即返回式卫星0号、1号、2号、3号、4号和实践8号。用这些返回式卫星不仅进行了遥感、微重力实验和新技术试验以及太空育种，还为中国掌握载人飞船返回技术提供了重要借鉴。

不过，卫星返回是一项很复杂的技术，要在空中准确完成一系列的高难度动作，目前仍只有少数国家掌握。要使卫星要全地返回地面，至少攻克5大难关。一是调姿关：在卫星返回前，把卫星从运行轨道的姿态准确地调整为返回的姿态，并使卫星在此姿态下保持稳定运行；二是制动关：卫星上的制动火箭应按时点火，可靠工作，从而使卫星脱离原来的运行轨道，进入预定的返回轨道；三是防热关：卫星返回时不仅要保证卫星在高速返回过程中不致因与空气强烈摩擦而被烧毁，而且舱内温度要保持在仪器舱工作的最高温度以下；四是软着陆关：要有可靠的降落伞系统和回收控制系统，保证以很低的速度着陆，回收物品完好无损；五是标位及寻找关：要保证能够实时准确地预报及测量卫星的落点位置，使回收区工作人员尽快发现返回舱，并开展回收作业。

目前，航天工程师还在研制可重复使用的返回式卫星，目的是减少空间科学实验的成本，如果成功，前景十分广阔。

首次大规模开展微重力实验

微重力科学是力学、物理学和生物学的新兴交叉学科，主要研究在微重力环境中物质的平衡和运动的规律，包括微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学和和空间基础物理等。在微重力环境中，由于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。因为在微重力下出现的新现象、新规律，能发现被重力掩盖的现象和实质，为人们深入认识流体、燃烧和物质的本质提供依据，改善地面上与人类生活密切的流体、燃烧和物质特性。

“实10”的主要任务是开展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的19项空间科学实验，有10项微重力科学实验项目，9项空间生命科学实验项目，其中有11项收回，8项不收回。这是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卫星空间科学实验研究，每一项都具有很强的科学研究价值。

“实10”整体为柱锥组合体形状，分为返回舱和仪器舱两个舱段，其中仪器舱包括服务舱和密封舱，返回舱包括回收舱和制动舱。回收舱在完成任务后再入大气软着陆并回收。其总质量约为3600千克，搭载了600多千克科学载荷，运行在高约252千米、傾角43。的圆轨道，在轨飞行12～15天，其工作时间与其上电池的电量有关。这颗卫星没有装太阳电池翼，以免产生振动而影响科学实验。卫星上微重力水平优于1×10^-3g。

微重力科学空间实验一瞥

燃烧是当今世界大约85%的能源来源，但至今仍然缺乏完整的燃烧过程理论，这也是目前燃烧过程对环境构成污染的重要原因。微重力燃烧科学研究的目标是增进对燃烧基本原理受重力影响的了解，增进对地面上燃烧的认识。因为在微重力环境中没有浮力引起的流动和沉淀，排除了浮力引起的对流和沉淀引起的分层，燃料可平静均匀地混合在一起，能对燃烧过程进行详细观测，研究被重力掩盖了的真实燃烧现象，这将有助于燃烧效率的提高，以及污染、大气变化、全球变暖、火灾等问题的解决。提高燃烧效率对社会影响是巨大的，石油燃烧效率每提高1%，全球每年就可节省几亿桶石油。

非金属材料着火和燃烧特性实验：揭示热厚非金属材料在微重力条件下的着火和燃烧特性，认识环境流动、氧气浓度和材料形状等主要因素对火焰传播的影响规律。

导线绝缘层着火特性研究实验：阐明微重力环境下典型非金属材料导线绝缘层的火灾先期征兆及着火早期烟气析出及分布规律。

微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究实验：观测不同炉温、不同煤种、不同粒径和环境气体成分条件下单个球形煤颗粒和煤粉颗粒群的燃烧全过程，揭示我国典型煤种的单个颗粒和煤粉颗粒群在流动解耦、传热传质各向同性理想状态下的着火、燃烧和污染物生成的基本规律。

颗粒气液相分离振动实验：利用微重力环境实现颗粒流体气液相分离，检验颗粒气体的类分子气液相分离理论，完善颗粒气体团簇形成机理的模型。此外还有蒸发与流体界面效应空间实验和热毛细对流表面波空间实验。

沸腾汽泡动力学实验：用于进行沸腾过程中的汽泡动力学特征研究。在地面重力环境中，水被加热时底部开始沸腾，在容器底部产生小气泡，被重力引起的对流带到容器上部。在太空微重力环境中，加热产生的气泡会一直附着在容器底部停留很长时间，最后形成一个大气泡，飘浮在水中。此实验可加深对沸腾现象中汽泡形成一成长一脱落过程等局部流动与传热现象及其规律的认识，促进学科发展，服务于我国相关空间技术研发。

石油组分的索里特系数测量实验：可帮助预测油田中石油组分分布和油气界面位置，进而指导石油的开采。胶体有序排列及新型材料研究实验：用于观察微重力下胶体粒子、聚苯乙烯微球以及金纳米颗粒包覆聚苯乙烯微球的自组装动力学过程，以及微重力下液晶相变过程。揭示被重力所掩盖的各种真实现象和材料物理现象的本质，寻求消除地面制备材料中缺陷的方法。在微重力环境中，能生产少量高品质的材料和作为基准的具有特殊性能的材料，可进行材料的无容器加工，避免在加工过程中容器产生的污染，并允许需要极高温度的材料加工和具有腐蚀性材料的加工。

空间材料生长研究实验：用于研究微重力环境下晶体生长和凝固过程，理解材料从熔体中形成的界面动力学，为改善地面晶体生长工艺奠定基础。在太空，晶体可以在蒸气介质中于悬浮状态下生长，因而晶体个体大、位错密度小、无应力、纯度高。通过微重力环境抑制溶质对流，可获得地面重力场中难以生长的高质量材料。

揭秘空间生命科学实验

空间环境对家蚕发育影响与变异机理研究实验：在轨培养家蚕生物样品，开展家蚕发育、基因和蛋白质表达等方面的研究。人身体的蛋白质在维持生命上起着重要作用。在微重力环境中，由于没有沉淀和对流的影响，蛋白质溶液处于自由状态，所以能够生产出足够大的高品质蛋白质晶体，为深入研究蛋白质结构及其功能创造了良好的条件。可揭示太空环境对重要生命现象及生命过程的作用与影响，为发展地基生物技术提供理论依据，并为改善人长期在太空生活质量提供依据。

微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究实验：在轨培养完成小鼠胚胎样品。通过研究太空环境对哺乳动物早期胚胎生长发育的影响，揭示空间环境条件下动物早期生命活动规律，为未来长期太空飞行中保障人类生殖发育健康提供科学依据。

此外，还有微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究实验和微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究实验以及微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究实验。

空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花研究实验：进行水稻、拟南芥植物样品的在轨培养，了解并初步阐明微重力对长日与短日植物光周期诱导开花的影响及其分子机理，为农业生产上作物栽培和品质选育提供理论基础，同时，应用于载人航天受控生命生态支持系统的设计，并为空间植物培养提供理论依据。培育后的天空种子带回地面，经过几代繁殖、观察、寻找新的有益的突变类型，能培养粮食、蔬菜、果树和其它农作物新品种。

辐射生物学研究实验：综合测量水稻等模式生物材料经历的空间粒子辐射，评估生物个体接受空间辐射的品质及其与对应的辐射损伤和遗传变异的关联等。

空间辐射对基因组作用和遗传效应实验：进行小鼠细胞、果蝇等生物样品的在轨培养。揭示复合及复杂空间辐射环境生物体的自组织性，挖掘空间辐射生物学效应机制需要用新概念、新理论和新技术。

责任编辑：武瑾媛