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科学家揭秘,这些实验很高冷

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新华社酒泉4月6日电6日1时38分,酒泉卫星发射中心,长征二号丁运载火箭成功将中国科学卫星系列第二颗星——实践十号返回式科学实验卫星送入太空。

首颗微重力科学实验卫星将进行19项科学实验,多为国际首次这些实验很高冷

发射前,科研人员在发射厂房测试和准备实验样品。资料图片

实践十号卫星搭载着19项创新性的科学实验,相当于把一个综合性的实验室搬到了太空。这个实验室有多牛?科学家们为我们揭秘。

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今年4月6日,我国首颗微重力科学实验卫星实践十号在酒泉卫星发射中心升空。它犹如一个综合的太空实验室,携带着19项微重力和生命科学领域的实验装置,摆脱了地球重力影响,在卫星空间飞行12天后成功返回。

使命:揭开被重力掩盖的科学秘密

4月6日,搭载实践十号卫星的长征二号丁运载火箭升空。新华社记者 金立旺 摄

如今,距离实践十号返回已有半年多的时间,科学家在忙些什么?揭开地球重力场盖在物质运动和生命活动规律上的面纱后,实践十号又让科学家看到了哪些科学问题的本质?

对科学家来说,宇宙空间是一个很好的实验室。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。在微重力,也就是通常说的“失重”环境下,能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。

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忙碌是最好的状态

“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突破的可能。”实践十号卫星首席科学家、中科院院士胡文瑞说。

实践十号卫星在轨模拟图

《中国科学报》记者联系到实践十号首席科学家、中科院院士胡文瑞时,他的第一句话便是“我们还需要再多点时间”。虽然已过去半年多,但对于科学研究而言,时间仍显得有些短暂。

我国是继美国、俄罗斯之外第三个掌握返回式卫星技术的国家,实践十号是我国发射的第25颗返回式卫星。“也是首颗大规模实施无人空间微重力实验的返回式科学卫星。”中国航天科技集团五院实践十号卫星工程总设计师唐伯昶说。

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事实上,19项科学实验的相关研究人员都面临着繁重的数据处理与分析、样品收集与分析等工作需要深入开展。也正因如此,胡文瑞反复跟记者解释,实践十号尚需做进一步的总结工作,“希望给大家多一点时间”。

“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,对科学研究来说,机会十分难得。”胡文瑞说。

实践十号卫星实拍 中国科学院供图

“各忙各的”——这是实践十号相关实验团队目前工作状态的最贴切描述,也是胡文瑞心中目前最好的状态——不过多地打扰大家的工作,给予科研人员探求问题本质所需的时间。

他说,近年来,微重力环境是各国研究的焦点领域。人类要走向太空,就必须研究微重力环境下物质会发生哪些变化。而科学家们的一些理论猜想,也只有到太空微重力的环境下,才能进行实验验证。

4月6日凌晨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发射升空。此后,实践十号卫星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。为什么要发射这颗卫星?这些实验有哪些科学价值?为保障科学实验科技人员又做了哪些工作?

作为实践十号卫星科学应用系统总设计师,中科院力学研究所研究员康琦印证了胡文瑞的说法。他告诉记者,实践十号返回后,“我们没想这么早做归纳总结”,当下各实验课题组“一半都在做数据处理与分析,另一半通过对样品、材料分析后再做数据分析”,因而他也认为现在做总结工作“时间稍微早了一点”。

“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,“实践十号卫星是一个高效、短期、综合空间实验平台,它的使命就是揭开被重力所掩盖的科学秘密,力争获得重大科学突破。”

在太空营造微重力环境做科学实验,可揭开重力面纱

“我们的项目现在主要还是在做数据处理。”康琦在介绍自己所负责的流体实验时说,自实践十号卫星进入太空后,他们一共做了23个工况的微重力科学实验,需要对获得的空间实验数据进行重新校核。

优势:具备比空间站更好的微重力环境

实践十号卫星是我国空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星,也是单次开展微重力科学和空间生命科学实验项目最多的卫星,其主要科学目标是开展空间科学实验,研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。

这是一个耗费大量时间与精力的工作。据康琦介绍,空间实验存在着一定的不确定性,比如他所从事的流体实验,实验流体介质就会受到蒸发等因素的影响,其蒸发量直接与当时的实验环境相关。“所以要校核哪些工况和我们当初的设想一致,有不对的我们还要校核到一个新数据上,在新的数据上做分析。”康琦说。

为了开展微重力研究,科学家们尝试在地球上模拟微重力环境,比如利用几十米、几百米高的落塔或落井、抛物线飞机和探空火箭。

科学上讲的“微重力”,就是通常说的“失重”。这种环境中有效重力水平极低,仅为地球表面重力的百万分之一。

而实践十号搭载的颗粒物质运动行为研究实验负责人、中科院物理研究所研究员厚美瑛的团队目前也在进行数据分析。“我们要跟踪颗粒,就要做图像处理,要一帧一帧地跟踪图像才能知道颗粒的速度,每一帧都要分析。”厚美瑛称,正因如此,她也觉得“一年是有点短,预期要两三年时间”。

“落塔或落井微重力时间只有几秒钟;抛物线飞机可提供30秒低重力时间;探空火箭一般从5分钟到十几分钟。它们可以做流体、燃烧等耗时短的微重力实验,而材料生长、生物过程等需要时间较长的实验就无法进行。”实践十号卫星科学应用系统总设计师康琦说,“长时间的空间科学实验需要利用科学卫星、航天飞机、空间站进行,与地面微重力实验互为补充。”

实践十号卫星工程项目首席科学家胡文瑞院士说,地球上发生的许多物理现象,都有重力的原因。微重力环境能观察到很多地球上不可能出现的独特现象,在空间材料科学、空间生物技术和空间生命科学等多个研究领域有非常重要的价值。

预期之外的“礼物”

我国将在2020年前后开始空间站的建设,为什么还要发射科学卫星呢?胡文瑞解释说,空间站有实验时间长、可以有人参与等优势,但残余重力、机械动力和人的活动干扰可能给实验结果带来影响。实践十号卫星是专门为微重力科学和空间生命科学而设计的卫星,将为实验提供更好的微重力环境和其他条件。

全世界的科学家们都在尝试通过各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”等,这些实验平台可以提供几十秒、几分钟的微重力环境,但由于时间太短,这些平台都很难进行生命科学实验。“而实践十号卫星能实现的微重力水平高,相当于在太空中搭建的一个科学实验室。”胡文瑞说。

据胡文瑞介绍,实践十号的实验很成功,许多课题组还看到了预期目标之外的新现象。厚美瑛所负责的实验便是如此。

一是卫星的微重力水平可更高,是地球表面重力的10-6g,而太空站上仅为地球重力的10-3g;二是它的机动性高,比如这次要进行的胚胎实验可以在发射前8小时才装到卫星上,缩短在地面停留的时间,如果搭载在载人飞船上就做不到这一点,而且返回式科学卫星在实验完成后就可以及时回收,这是空间站做不到的;三是科学卫星风险小,且造价大大低于建设一个空间站。

“发射实践十号卫星,就是要揭开重力这层面纱,发现事物运动发展的真面貌。”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。

厚美瑛告诉记者,她在实践十号上的实验,主要是为针对颗粒的聚团行为和分聚现象获取实验条件数据,而此次实践十号实验的结果令她“很满意”。

胡文瑞说,一些其他国家发射科学卫星是对空间站任务的补充,而我国科学卫星上的实验项目和未来空间站任务是完全“错身”的,实验内容不会重复,具有不可替代的作用。

不久的将来,我国要发射载人空间站,为什么还要发射实践十号卫星?胡文瑞说,空间站有实验时间长、有人参与等优势,但机械干扰和参与重力等可能给实验结果带来影响。“实践十号卫星微重力水平很高,机动性能好。此外,实践十号返回式卫星双舱式结构,也可以让一些比较危险的实验分开做,这些是在空间站里做不到的。”

“在实践十号上我们首次观察到了颗粒自发的分仓聚集现象。”她解释称,微重力下的分仓聚集在颗粒材料的定向存储与空间输运方面有很大的应用价值。同时,他们还从实践十号上获得了大量颗粒团簇图案,通过分析这些数据也将为他们提供团簇行为的完整相图,为验证理论模型提供实验依据。

突破:绝不重复别人的实验

19项实验均为微重力科学和空间生命科学前沿课题

事实上,除此之外,实践十号还带给厚美瑛另一份意外的惊喜。通过分析实践十号卫星下传的实验数据,他们发现了一个有趣的现象。

胡文瑞介绍,实践十号搭载的19个实验项目是从200多项申请中脱颖而出的,按照创新性、可行性、必要性等科学标准,经过严格遴选、反复论证,涵盖微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、微重力生物效应、空间生物技术6大领域。

实践十号卫星总设计寿命为15天。在此期间,卫星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。其中,微重力科学实验项目10项,空间生命科学实验项目9项。据介绍,19项科学实验任务是从200多项申请中精选而出,依照创新性、可行性、必要性等标准筛选,确保每一项都是全新探索,有很强的科学研究价值。

“实践十号颗粒冷却图像中发现冷凝静止的颗粒出现一致加速度的定向运动,我们认为这显示静止的颗粒对于卫星加速度有灵敏响应。”厚美瑛称,这是实验预期目标之外的新发现,目前相关数据还在进行进一步的分析。

“我们绝不会重复别人的实验。”胡文瑞说,“所有实验任务都是全新探索,每一项科学实验均具有创新性,有很强的科学研究价值,有望获取具有国际先进水平的、具有自主知识产权的重大科技成果。”

“我们绝不会做别人完成过的实验,空间科学上重复研究没有价值。”胡文瑞说,全部实验项目均为微重力科学和空间生命科学前沿课题,多项科学实验为国际上首次开展,对于推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。

集体进步带来领域突破

据介绍,这19项实验都非常有特点,比如微重力下煤燃烧实验等项目针对能源、农业和健康等国家战略目标,为解决地球上的现实问题提供帮助;导线绝缘层着火实验等项目结合航天器防火等关键技术需求,为我国航天工程后续发展提供支撑;哺乳动物早期胚胎发育、造血与神经干细胞三维培养等项目瞄准空间生命科学的前沿课题,对人类未来走向太空有重要意义。

比如在空间生命科学方面,科研人员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。

流体物理、燃烧科学、材料科学、辐射效应、重力生物效应和生物技术6个学科,涉及微重力物理与空间生命科学两大领域,实践十号相较于暗物质与量子等瞄准一个主目标的科学实验卫星而言,所涉及的学科领域显得特别广。

胡文瑞透露,这些实验的前期理论研究已经发表了数十篇论文,一些专门研制的仪器设备也达到国际领先水平。比如为熔体材料生长实验而研制的空间多功能材料生长炉,不仅能提供实验所需的高温温场环境,而且有6个工位,能实现8项样品的转位换位、提拉生长、高温温度的精确控制。

首次引入了流体回路控温技术

虽然实践十号被称为“微重力卫星”,但康琦坦言,微重力涉及的工作太多了,实际上只是19个团队各做了一个小的方面。而这19个经过严格甄选的实验项目,也代表着各个团队在自己学科的创新与进步。康琦希望,依靠实践十号“集体的全面进步,带动微重力科学的进步”。

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实践十号卫星总质量约3400公斤,由有效载荷、结构、热控等共11个分系统组成。中国航天科技集团第五研究院实践十号卫星系统总师赵会光介绍,该卫星的形状和其他卫星相比非常独特。比如,卫星的星体承担了整流罩的作用,因此发射过程中不需要整流罩。从外观看,形状类似于“弹头”。同时,由于飞行时间短,卫星主要采用的是化学电池,而没有采用常见的太阳能帆板这样的供电方式。

事实上,围绕实践十号得到的实验数据,科学家还有很多事情可做。厚美瑛告诉记者,她围绕实践十号实验的相关研究工作已规划到了明年。

19项实验在同一个卫星上开展,如何让多实验载荷在太空协同工作且互不影响?特别是生命科学项目对整个实验过程中的温度要求非常高,如何严格控制卫星的发射阶段、在轨运行阶段和返回阶段的温度?赵会光说,每个实验环境的物理环境是相对独立的,避免了相互干扰。同时,科研人员在卫星上首次引入了流体回路控温技术,解决了空间材料设备和生命科学实验设备同处返回舱,温控要求高的技术难题。

“我们最大的目标是用实验数据验证我们的理论模型,这可能是明年要做的事情。”她说。

作为我国新一代返回式卫星,在卫星技术方面,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。

与此同时,记者也了解到,目前很多项目组都在与相关领域的科技期刊接触,准备就一些研究发现投递论文。比如,厚美瑛团队就已经投出一篇与模拟分析相关的文章。

航天科技集团第五研究院实践十号卫星工程总师唐伯昶表示,实践十号卫星研制成功,将为我国开发出一个专门用于微重力科学和生命科学的实验平台,使我们国家的空间微重力研究有了新的技术手段。

而康琦告诉记者,他们希望未来汇总这些课题,推出微重力科学和生命科学两本论文集,希望系统阐述每个小领域的进展。

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“我们是做了方方面面创新之后的一个集体成果,希望每个项目能到国际上投出两三篇好文章”康琦说。

实践十号首席科学家、中科院院士胡文瑞:

期待微重力研究开花结果

今年4月6日,实践十号带着19个项目的科学实验装置进入太空,并在太空进行了为期20天的实验,其中回收舱的11个项目在卫星空间飞行12天后成功返回,带回了丰硕的实验材料及生物样品。

此次实践十号所搭载的科学实验在运行过程中没有出现任何重大失误,并且搭载的科学实验几乎都达到了预期效果,甚至比预期还要令人满意,可以说我们还是很幸运的。作为实践十号的参与者,我内心很激动,我们给国家和人民交上了一份令人满意的答卷。

当下,科研人员正针对实践十号得到的实验结果,紧张有序地开展后续的数据处理与分析、样品收集与分析等相关工作。我们期待随着相关研究的深入,一批有代表性的成果能够得以呈现,也希望实践十号中所涉及的研究领域均能“开花结果”。

作为我国首颗微重力科学实验卫星,实践十号除了对微重力和生命科学两大领域的研究提供了绝佳的实验平台,也令我国返回式科学卫星的发展前景得以展露。

此次实践十号的成功,可以说为我国进一步发展相关技术奠定了基础。综合来看,相较于空间站,返回式卫星更具机动性,可以更好地满足相关实验开展的要求,可以作为载人空间站的重要补充而存在。目前,国内相关研究对于微重力环境实验条件的需求,也需要返回式卫星发挥更大的作用。

鉴于返回式科学卫星的不可替代性及其与空间站相互补充的特点,该技术的发展前景及可能为相关科学研究提供的平台十分令人期待。目前,国内也已在相关领域布局,未来我国可重复利用的新型返回式卫星的发展,将为相关科学研究提供更加低成本、便利的实验条件。

(原载于《中国科学报》 2016-12-07 第1版 要闻)

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