想不想在「天上」做實驗？你得先學會這幾點

「天宮二號」任務中有一項非常重要的工作，即開展較大規模的空間科學實驗和應用試驗，包括微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究應用、應用新技術試驗等多領域的科學研究實驗。能搭乘「天宮二號」上天的實驗，無疑都屬於最前沿的科學領域。哪些科學實驗能夠「上天」？它們具有何種價值呢？實驗在太空又是如何操作？惡劣的太空環境又對實驗提出了怎樣的要求呢？

一、特殊的太空環境

太空環境在很多方面都異於地球表面環境，相比地球表面環境，太空環境可以稱得上是極端環境，但正是在極端物理條件下，物質的運動規律、物理化學過程、生命過程等都可能會發生變化，這就意味著重大科學發現的可能。

1.微重力

由於太空和地球表面環境有很大的不同，地球表面為1G重力環境，在太空則為微重力環境。當航天器在太空中高速飛行時，高速運動產生的離心力與地球引力達到了平衡，在這種情況下，航天器及其內部的物體相互之間沒有拉、壓、剪切等作用力，即處於接近無重力的狀態。

實際上，航天器還會受到太空微小空氣阻力作用，航天器內的物體並不都在航天器質心位置，有時航天器會旋轉或發動機工作會產生推力。在這些情況下，航天器及其內部的物體表現出有微小的重量或者產生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，這種作用力稱為「微重力」。

微重力環境下，有望發現被地球重力掩蓋的物質的特殊運動規律，這就意味著有可能產生重大的科學突破。因此，微重力環境是一種寶貴的資源，人類可以利用它開展地面上難以進行的科學實驗，進行先進材料加工和藥物蛋白質結晶等試驗，從而指導地面改善材料加工工藝或進行基於結構的藥物設計。

2.高輻射環境

太空輻射是一種包含伽瑪射線、高能質子和宇宙射線的特殊混合體。輻射也是天體上能量傳遞的一種基本方式。在地麵條件下，人們會受到濃密大氣層的有效保護，通常只會受到極微量宇宙射線的照射。然而在失去大氣層保護的太空中，輻射的影響就不能被忽視，銀河系宇宙線往往是高能、高穿透性的粒子，普通飛船提供的適度防護無法阻止它們，就算飛船的外殼用30厘米厚的鋁板製成，也會殘餘不小的輻射劑量。所以，太空輻射的實際危險遠不是我們實驗室里能估計得到的情況。

這種惡劣的太空輻射環境同時也給予了太空實驗獨特的環境，例如今年的4月升空的實踐十號返回式科學實驗衛星，就搭載了這樣一項科學實驗：空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究。這項研究通過三種對比實驗來研究空間輻射對基因組的影響。科學家試圖通過研究輻射來尋找恰當的應對方法，為太空輻射的風險和防護研究提供新的基礎數據和檢測手段，保證人類長期空間活動的順利進行。

3. 航天器軌道

繞地飛行的航天器的軌道雖然不外乎圓形和橢圓形兩種，但可能方向和形態卻是差別很大，軌道形狀與航天器入軌時的速度和方向有關，究竟採用哪種形狀的軌道，則是由航天器的功能和用途決定的。不同軌道高度的航天器在觀察地球、通信廣播、導航定位和大地測量等方面都有差異。因此，並不是軌道越高就能觀測更多地球信息，也並非軌道越低傳達的信息越準確，而是要根據不同航天器的任務設計不同的軌道高度。

4.太空中的細菌

不論人類走到哪裡，都會發現細菌的蹤跡。一旦人們身處太空，不論時間長短，細菌都會以欣欣向榮之姿茁壯生長。微生物無處不在，宇宙飛船中也是如此。

現有的研究證實，不論是微重力還是模擬微重力環境下培養細菌，細菌培養環境發生改變，間接地對細菌造成影響，這會利於細菌的培養。科學家發現模擬微重力下大腸桿菌抵抗酸性、熱應力和滲透壓等能力增強，耐藥性也增強，出現了上百種基因的表達變化。因此，探明太空環境對細菌影響的機制，不僅可以保障航天員的健康，而且可以評價歲航天器返回地球細菌的毒性及耐藥性，保障人類的健康。

二、載荷「上天」要過關

科學家的科學實驗如果要在太空中進行必須要滿足上天的要求，即航天標準，也就是要在「機」、「熱」、「電」等方面滿足航天要求。

1.「機」為機械結構設計。科學實驗設備的機械結構要滿足相應的力學要求，並且要經受得住火箭發射階段的振動和衝擊，因此科學實驗設備要在地面進行振動試驗和衝擊試驗，即通過人為給實驗設備添加火箭發射過程中的振動和衝擊，檢驗試驗設備的可靠性。如果設備不能經受住這樣的考驗，設計人員就要對試驗結果進行分析，在設備外殼需要加強處理的地方重新設計，然後再進行相同的試驗，直到滿足發射要求為止。

2.「熱」為熱控設計。如同只有維持在36-40°之間和一定的氣壓環境下人體才能正常工作和生活一樣，試驗設備一般包含了成千上萬的元器件和結構件，大部分部件只能在特定的溫度環境下工作。然而試驗設備上天以後繞著地球旋轉，太陽一會兒照射設備一會兒不照射設備。可謂是「忽冷忽熱愛感冒」，實驗設備「感冒」後也就不能正常的工作了，因此在實驗設備必須具備自我溫度調節的功能。熱控設計就是要在設備外溫度變化的情況下維持設備內部組件的正常「體溫」，即使是在真空環境下，也要把體內的溫度維持在一個合理的範圍內。

3.「電」即電子學設計。電子學設計相對比較廣泛，包括電路板設計、軟體設計、電磁兼容設計等。其功能也是要滿足試驗設備的正常運行，如果將設備比喻成人的身體，電子學解決的問題主要有： 「吃飯的問題」，即可靠電源控制技術，針對複雜多變的有效載荷供配電需求，提供高可靠電源控制，為有效載荷創造安全、穩定、可靠的供電環境。 「感知和運動」的能力，即精密測量與控制技術。針對空間有效載荷的精密測量和控制需求，進行有效載荷的各類感測器信號的採集和處理，以及有效載荷運動部件的控制和精密振動控制。 「記憶的能力」，即有效載荷信息存儲技術。針對航天器有效載荷海量空間應用數據的高可靠存儲需求，對先進在軌實（試）驗提供信息存儲支持。 「交流的能力」，即有效載荷信息網路技術。針對航天器內部有效載荷產生的海量科學實驗數據，提供能夠進行實時信息獲取、傳輸和處理的網路系統。

三、你的實驗能「上天」？

普通公眾如果想把自己做的實驗送到太空，在地面就要進行充分的驗證試驗，所涉及到的方法主要有計算機模擬和地面驗證技術。

在太空探索過程中的所有航天器或者機器人，在上天之前都要進行充分的計算機模擬試驗，在給定空間環境參數的前提下，驗證試驗的結果是否能夠達到預期效果。

其次就要進行地面驗證試驗，最著名的驗證手段就是氣浮台試驗。將試驗裝置安裝在堅硬的大理石平台上，通過在接觸面安裝高壓氣浮裝置，使接觸面形成一層薄薄的氣膜，這樣就能消除物體之間的平動摩擦力，從而可以驗證包括兩個平動和一個轉動在內的三自由度運動。通過更換不同的自由度來驗證6自由度的試驗。

對微重力環境要求較高的試驗可以選擇進行落塔或失重飛機試驗，兩種試驗方式可分別獲得幾秒和幾十秒的失重環境，以此來驗證6自由度的試驗。6自由度即物體在空間具有六個自由度，沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度 。因此，要完全確定物體的位置，就必須清楚這六個自由度。

從神舟系列飛船到天宮二號，中國航天事業逐漸開拓，載人航天「三步走」的發展戰略也穩步進入第二階段。預計在2020年左右，中國將建成自己的空間站，屆時，中國空間站將成為中國空間科學研究和新技術試驗的重要基地。未來，越來越多的實驗將在空間站中開展，越來越多的設備將會被「送上天」，越來越多的數據將會被存儲與傳輸，一起期待吧！

專家支持：中科院空間應用工程與技術中心

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