實踐十號衛(wèi)星模擬圖
中國科學(xué)院國家微重力實驗室試驗裝置
微重力環(huán)境下盛開的花
人類未來能否能穿越星際，在宇宙中長期生存？人類能否到太空中去繁衍后代？宇宙飛船或者空間站著火了怎么辦？如今困擾各大城市的霧霾如何治理？……對于這些問題，現(xiàn)在我們或許還沒辦法全面回答，不過中國科學(xué)家未來兩周將在太空中進(jìn)行的19項實驗，將為回答這些問題提供思路。
為這些實驗提供場地的是一顆放大版的“子彈頭”。它的全名叫實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星，是我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星。4月6日凌晨，它在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運載火箭發(fā)射升空。為了打造這個太空“超級實驗室”，中國已經(jīng)準(zhǔn)備了10年，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首批立項研究的科學(xué)衛(wèi)星中準(zhǔn)備時間最長的。
6大領(lǐng)域、19項實驗，這是中國迄今為止單次空間微重力和生命科學(xué)實驗項目及種類最多的空間任務(wù)。更重要的是，這些實驗都是國外沒有開展過的，因此極有可能孕育重大學(xué)術(shù)突破。
那么，這些實驗將怎樣改變我們的生活？作為中國空間先導(dǎo)專項“四先鋒”中的“老二”，實踐十號有哪些絕活兒？中國將在2020年前后建成永久性空間站，為何又要打造這種可返回的太空“實驗室”呢？
①揭開地球重力場掩蓋的面紗
地球上的物理現(xiàn)象都受到地球重力的制約，比如浮力、沉降等。“地球重力場是蓋在物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律上的面紗，不揭開就無法看到很多問題的本質(zhì)。”中科院國家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說。
對科學(xué)家來說，宇宙空間就是一個很好的實驗室。在太空環(huán)境下，重力或其它外力引起的加速度約為地球的百萬分之一，是一個近乎失重的環(huán)境，而且太空中充斥太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射時產(chǎn)生的太陽高能粒子，高能量、穿透性強(qiáng)的銀河宇宙射線等，能觀察到很多地球上不可能觀測到的獨特現(xiàn)象。
需要說明的是，航天器或者人類在太空中的“失重”并不等于“零重力”。通常來說，航天器在太空中飛行時，由于只受地球、月球、行星、太陽等天體的引力作用，航天器及其內(nèi)部的物體的確處于失重狀態(tài)。但這只是一種理想狀況，因為航天器內(nèi)的物體并不都在航天器質(zhì)心位置，有時航天器的旋轉(zhuǎn)或發(fā)動機(jī)工作也會產(chǎn)生推力。在這些情況下，航天器及其內(nèi)部的物體會有微小的重量或者產(chǎn)生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，這種作用力稱為“微重力”。
衛(wèi)星里物體的重力有多“微小”呢？航天科技集團(tuán)五院實踐十號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師趙會光表示，這方面，俄羅斯返回式衛(wèi)星已達(dá)到百萬分之一的技術(shù)指標(biāo)，實踐十號整體重力優(yōu)于萬分之一，部分時段或位置已達(dá)到百萬分之一，能提供一個高效、短期、綜合的微重力空間實驗平臺。
②為人類走向太空鋪路
實踐十號衛(wèi)星將開展的這19項科學(xué)實驗，涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射效應(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)等6大領(lǐng)域。其中，8項流體物理和燃燒實驗將在留軌艙內(nèi)進(jìn)行，另外11項科學(xué)實驗將在回收艙進(jìn)行。歐洲空間局和日本宇宙航天研發(fā)機(jī)構(gòu)各參加了一個科學(xué)實驗項目。
正如該衛(wèi)星首席科學(xué)家胡文瑞院士所說，“我們絕不會重復(fù)別人的實驗。”細(xì)數(shù)這些實驗，各項都堪稱“高大上”。它們是從200多項申請中精挑細(xì)選的，國外還沒有進(jìn)行過的，“這就意味著重大科學(xué)突破的可能。”
例如，要實現(xiàn)未來人類的星際移民，基礎(chǔ)研究是弄清楚像人類這樣的哺乳動物在太空能否正常繁殖。幾年前，日本研究人員曾在美國網(wǎng)絡(luò)科學(xué)雜志《科學(xué)公共圖書館·綜合》上發(fā)表報告稱，在太空微重力等環(huán)境下，哺乳動物正常的胚胎發(fā)育可能會受到阻礙，因此繁衍難度較大。迄今為止，在空間微重力實驗條件下，成功進(jìn)行哺乳動物早期胚胎發(fā)育體外研究的報道并未出現(xiàn)。
為此，實踐十號首次把小鼠早期胚胎帶上了太空。中科院動物所研究員段恩奎說：“我們以小鼠細(xì)胞胚胎為研究對象，對其進(jìn)行培養(yǎng)并顯微實時跟蹤觀察，看它在微重力環(huán)境中能否繼續(xù)分裂到8個細(xì)胞、16個細(xì)胞……觀察在微重力情況下，哺乳動物胚胎能否和在地球上一樣正常發(fā)育。”此外，實踐十號還有望將這一發(fā)育過程拍攝下來，這也是世界首次。
要進(jìn)行更長時間的載人空間飛行，航天器艙內(nèi)防火是大事。微重力環(huán)境比地面更容易著火，而且著火點不易發(fā)現(xiàn)，很難撲滅。對此，美國阿波羅13號飛船、俄羅斯的和平號空間站都有過慘痛教訓(xùn)。
中國將在2020年前后建成有人長期值守的空間站，防火問題就凸顯出來了。在這一過程中，哪些材料能用？哪些材料不能用？如何發(fā)現(xiàn)火情？怎么滅火？這一系列問題都要靠大量的太空實驗來解決。
此次實踐十號計劃開展的“導(dǎo)線絕緣層著火實驗”和“典型非金屬材料著火實驗”就是要在衛(wèi)星內(nèi)“燒上幾把火”，觀察微重力條件下特定材料的著火和燃燒的特性，并與重力條件下的燃燒進(jìn)行對比。
此外，為了研究空間輻射對基因組的遺傳效應(yīng)影響，果蠅也被“請”上太空。為了研究太空輻射引起的生物基因組變化，實踐十號攜帶了水稻種子、擬南芥種子和線蟲進(jìn)行觀察；另外還攜帶1000多只家蠶，其中一些將在太空中孵化。太空環(huán)境會使它們產(chǎn)生一些顯著的變異，我們能從中篩選出一些有用的變異，并保留下來。
③這些實驗將改變?nèi)藗兩?/p>
還有一些實驗不得不提，因為它們或許將改變?nèi)藗兊纳睢?/p>
例如，現(xiàn)在各大城市深受霧霾之困，燃煤是一大原因。近些年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國火電占比達(dá)70%到80%，其中大部分靠燃煤發(fā)電。
此次實踐十號搭載了煤燃燒實驗項目。中國科學(xué)家們選擇了3種我國的典型煤種，在實驗裝置中點燃，觀測不同爐溫、不同煤種、不同粒徑和環(huán)境氣體成分條件下的單個球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒全過程，并記錄下火焰形狀、顆粒表面變化、揮發(fā)和釋放現(xiàn)象等，試圖完善燃燒的理論和模型。
航天科技集團(tuán)五院總體部返回式衛(wèi)星專家高振良表示：“如果把燃燒研究透，我們就可以把燃煤的效率提高，切實減少空氣污染。”
由于全球石油開采量越來越高，找油成本也隨之增加。其實，油田中的石油分布和油氣界位置是存在規(guī)律的，這需要科學(xué)家們研究清楚石油的熱擴(kuò)散效應(yīng)。然而，在地面常重力條件下，科學(xué)家們無法獲得不受對流干擾的理想熱擴(kuò)散過程，因而難以得到相關(guān)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。此次實踐十號衛(wèi)星搭載了中歐合作研制的儀器設(shè)備和各種石油樣品，或許兩周之后科學(xué)家們能獲得驚喜。
此外，實踐十號還將開展晶體生長實驗，以研制滿足現(xiàn)代微電子工業(yè)需要的高質(zhì)量半導(dǎo)體和合金材料；開展膠體有序排列及新型材料研究實驗，有望獲得大尺寸、高品質(zhì)的金屬納米晶體等。
④這個實驗室渾身是寶
從上世紀(jì)80年代后期，我國就開始利用返回式衛(wèi)星做微重力科學(xué)實驗，但都是搭載在其他用途的衛(wèi)星上。實踐十號是第一顆專門為進(jìn)行微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究而發(fā)射的衛(wèi)星。
這顆衛(wèi)星整體為柱錐組合體形狀，像一顆放大版的子彈頭，高約5.2米，直徑超過2米，“肚子”里裝了19項實驗所需的29個鋁合金箱子，總重量近600公斤。
作為中國打造的新一代返回式太空“超級實驗室”，實踐十號的問世歷經(jīng)10年之久，是中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項中準(zhǔn)備時間最長的科學(xué)衛(wèi)星。科學(xué)家們在上面安裝了很多新設(shè)備和新系統(tǒng)，讓這顆衛(wèi)星變得渾身是寶。
首先，“身子骨”很硬。據(jù)該衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師趙會光介紹，為了控制回收艙返回大氣層時產(chǎn)生的高達(dá)幾千度的熱量，科學(xué)家對回收艙熱控系統(tǒng)進(jìn)行了更改，同時為艙體制備了防摩擦和耐熱的特殊材料，能把大量的熱量迅速帶走，練就了衛(wèi)星的“鋼筋鐵骨”。
其次，“體型”更輕盈。相比老一代返回式衛(wèi)星的“身寬體胖”，實踐十號擇優(yōu)選用了近年來研制的各類高精尖產(chǎn)品。例如一體化紅外地球敏感器、一體化太陽敏感器等，它們都是構(gòu)成實踐十號控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備。實踐十號控制系統(tǒng)主任設(shè)計師戰(zhàn)毅說：“通過一體化、高集成度的設(shè)計方式，體積和重量大幅下降，為實踐十號留出了更為充裕的搭載空間。”正因為如此，實踐十號才搭載了史上最多的29個鋁合金箱子。
再次，回收監(jiān)控打通“最后一公里”。以往，航天器返回過程中常見的“黑障”階段是沒法監(jiān)控的，那幾分鐘里科學(xué)家們只能焦急地等待。此次，科學(xué)家為實踐十號安裝了脈沖雷達(dá)應(yīng)答機(jī)，不僅讓其回收艙在穿越“黑障”時仍然有信號，同時極大提高衛(wèi)星落地時的測量精度。
還有一個問題是，如果回收艙返回時不幸掉到水里怎么辦？科學(xué)家們早已未雨綢繆，在回收艙的主降落傘頂部安裝了一個浮囊，讓其即便掉到水里也不會沉下去。
值得一提的是，此次回收艙的返回地點和搭載航天員完成天地往返的神舟飛船一樣，都在內(nèi)蒙古四子王旗，但返回方式和神舟飛船有很大區(qū)別。航天科技集團(tuán)五院實踐十號衛(wèi)星總指揮邱家穩(wěn)解釋說，飛船由升力控制來實現(xiàn)返回，能夠準(zhǔn)確地著陸在預(yù)定地點，簡化設(shè)計的實踐十號少了這一環(huán)節(jié)，這要求其返回艙在與留軌艙分離時參數(shù)要十分精確。
⑤實驗室未來能重復(fù)使用
“將來我國要發(fā)展重復(fù)使用的航天器、衛(wèi)星。”邱家穩(wěn)表示，過去返回式衛(wèi)星使用的設(shè)備已經(jīng)在實踐十號有所應(yīng)用，但還是單獨的設(shè)備級。
我國是世界上第3個掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。在發(fā)射實踐十號之前，我國已先后成功發(fā)射了23顆返回式衛(wèi)星，成功回收了22顆。那么，既然我國已經(jīng)開始建空間站了，為何還要發(fā)射這種可重復(fù)使用的返回式衛(wèi)星呢？
胡文瑞對此解釋說，一是衛(wèi)星的微重力水平更高。像實踐十號可以達(dá)到地球表面重力的百萬分之一，而太空站上僅為地球重力的千分之一，而且像太陽能帆板等機(jī)械動力和人的活動干擾可能給實驗結(jié)果帶來影響；二是衛(wèi)星的機(jī)動性高。比如此次胚胎實驗可以在發(fā)射前8小時才裝到衛(wèi)星上，如果搭載在載人飛船上就做不到這一點，而且返回式衛(wèi)星的實驗結(jié)果可以及時回收，這又是空間站做不到的；三是衛(wèi)星風(fēng)險小，造價低。因此，發(fā)展可重復(fù)使用的返回式科學(xué)衛(wèi)星是對未來空間站任務(wù)的一個有力補(bǔ)充。
此前，美國國家航空航天局耗資巨大的航天飛機(jī)、美國藍(lán)色起源公司和美國太空探索技術(shù)公司進(jìn)行的火箭回收等，都希望打造可重復(fù)使用的可回收航天器，以降低航天發(fā)射成本。
中國科學(xué)家們目前正在實驗火箭、衛(wèi)星等航天器的回收攻關(guān)。如何從美國航天飛機(jī)項目的失利和其民間科技公司實現(xiàn)火箭回收的成功中獲得啟發(fā)？如何積極引入市場力量，發(fā)揮眾創(chuàng)活力？對于未來渴望實現(xiàn)更大程度的商業(yè)化、大眾化和深入?yún)⑴c國際競爭的中國航天來說，解答好這些問題顯得尤為重要。