俄羅斯“光子”科學(xué)衛(wèi)星解密

□ 李浩悅

“光子”M4衛(wèi)星是俄羅斯最新研制的科學(xué)衛(wèi)星，于莫斯科時間2014年7月18日從拜科努爾航天發(fā)射場升空，星上載有壁虎、果蠅、蘑菇、植物以及多種微生物，還有22套科學(xué)儀器。目的是在微重力條件下獲得失重的新知識、探究半導(dǎo)體材料生產(chǎn)工藝、改進(jìn)生物醫(yī)學(xué)藥物性能以及開展生物和生物技術(shù)科學(xué)研究。2014年9月1日，“光子”M4衛(wèi)星在運(yùn)行42天后在俄羅斯奧倫堡成功著陸。本文對該衛(wèi)星的任務(wù)及相關(guān)情況進(jìn)行綜合介紹。

“光子”系列衛(wèi)星發(fā)展回顧

“光子”、“光子”M系列衛(wèi)星是俄羅斯“中央專業(yè)設(shè)計局-進(jìn)步”國家火箭航天科研生產(chǎn)中心研制的科學(xué)衛(wèi)星，用于進(jìn)行太空科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)各種工業(yè)和科學(xué)材料和生物制劑，以及開展國際合作項(xiàng)目。配套協(xié)作單位還有俄羅斯航天地面基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營中心、中央機(jī)械制造研究院、科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所及薩馬拉國立航空航天大學(xué)等。

在1985-1999年期間，俄羅斯發(fā)射了12顆“光子”衛(wèi)星，在2005-2007年又發(fā)射了“光子”M1、M2衛(wèi)星（表1），這些衛(wèi)星進(jìn)行了下列6類科學(xué)實(shí)驗(yàn)：

①開展用大規(guī)模定向結(jié)晶方法獲得半導(dǎo)體材料的技術(shù)實(shí)驗(yàn)；②培養(yǎng)不同物質(zhì)晶體；③獲得生物活性物質(zhì)；④研究失重物理問題；⑤開展細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；⑥研究開放宇宙空間對生物體的影響。來自俄羅斯、比利時、瑞典、西班牙、意大利、英國、德國、加拿大、中國、荷蘭、美國、法國、捷克斯洛伐克等許多國家的專家學(xué)者和科學(xué)設(shè)備研制人員參與了相關(guān)工作。

表1 “光子”和“光子-M”系列衛(wèi)星發(fā)射情況

“光子”M4衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

為了在太空生產(chǎn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域繼續(xù)研究新材料和高純物質(zhì)，俄羅斯“中央專業(yè)設(shè)計局-進(jìn)步”國家火箭航天科研生產(chǎn)中心以“生物”M衛(wèi)星為基礎(chǔ)，最新研制了“光子”M4衛(wèi)星，該航天器能夠?qū)嵤└笠?guī)模的航天技術(shù)、生物技術(shù)、材料科學(xué)方面的計劃項(xiàng)目。

“光子”M4衛(wèi)星主要由三部分組成：返回艙、儀器艙和部件艙。返回艙是球形密封結(jié)構(gòu)，殼體由鋁合金材料制造，外表面有熱防護(hù)涂層，殼體上有安裝維護(hù)儀器的艙口。儀器艙是錐體和柱體相結(jié)合的密封結(jié)構(gòu)，外部安裝儀器和運(yùn)動控制系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件，指控測量系統(tǒng)和遙測控制系統(tǒng)天線，制動發(fā)動機(jī)裝置，內(nèi)部是保障設(shè)備。部件艙是柱形密封結(jié)構(gòu)，裝有化學(xué)電源和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)部件。

“光子”M4衛(wèi)星重6280千克，其中科學(xué)設(shè)備重850千克

“光子”M4科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)

“光子”M4衛(wèi)星的飛行試驗(yàn)是對國際空間站俄羅斯艙段應(yīng)用科學(xué)研究的重要補(bǔ)充，其任務(wù)主要是進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)試驗(yàn)、科學(xué)項(xiàng)目試驗(yàn)和太空材料研究試驗(yàn)。

本次“光子”M4衛(wèi)星的太空生物醫(yī)學(xué)研究包括8項(xiàng)試驗(yàn)：

①“壁虎”F4（ГЕККОН-Ф4）試驗(yàn)，主要目的是研究微重力對成年動物機(jī)體的影響、它們的性行為及胚胎發(fā)育，試驗(yàn)過程進(jìn)行連續(xù)的視頻記錄。

②“熒光探測器”（ФЛУОТРЕК）試驗(yàn)將研究太空飛行中細(xì)胞內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的變化動態(tài)。為此在不同的飛行階段，借助熒光探測器記錄線粒體的膜能量，以及分析溫度對試管內(nèi)細(xì)胞功能調(diào)節(jié)過程的影響。

③研究利用微生物獲得電的過程，在失重條件下發(fā)電，在“生物電學(xué)”（БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО）試驗(yàn)框架下進(jìn)行。研究目標(biāo)是電極（陽極和陰極）和微生物燃料構(gòu)成的離子交換膜，以及微生物團(tuán)體和純微生物-發(fā)電機(jī)。

“光子”M4衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

④“微生物生長”（БИОФРОСТ）試驗(yàn)的目的是研究太空飛行對來自多年凍土層的微生物綜合體的影響。

⑤“微生物輻射-F”（БИОРАДИАЦИЯ-Ф）試驗(yàn)研究太空離子輻射的性能，及其對暴露在宇宙空間和衛(wèi)星內(nèi)部的生物體的影響效果，研究對象是干燥的種子，蠶卵及其他不需要在太空飛行中維持生命活動的生物體。

表2 “光子”M4衛(wèi)星主要性能參數(shù)

⑥“隕石”（МЕТЕОРИТ）試驗(yàn)用于研究微生物在模擬隕石和小行星的材料中的生存能力。

⑦“真菌學(xué)”（МИКОЛОГИЯ）試驗(yàn)開展純菌類微生物、側(cè)耳，以及葉狀體蘑菇共生體（綠皮地卷）在太空飛行中的生長和發(fā)展結(jié)構(gòu)功能研究。

⑧“生物變化”（БИОТРАНСФОРМАЦИЯ）試驗(yàn)的研究對象是有氧微生物培養(yǎng)。試驗(yàn)?zāi)康氖怯梦⑸锓椒ㄑ芯烤垡蚁┍∧そ到獾倪^程。

“光子”M4衛(wèi)星的科學(xué)項(xiàng)目包括十多個試驗(yàn)：

“隨航技術(shù)設(shè)備-15”（КБТС15）是“光子”M4衛(wèi)星的一項(xiàng)重要科學(xué)儀器，用于開展在無重力條件下培養(yǎng)對紅外設(shè)備、發(fā)生器和不同輻射的傳感器有獨(dú)特作用的半導(dǎo)體晶體技術(shù)試驗(yàn)，以及研究微重力條件下的工藝過程，設(shè)備組成包括：①自動化的電真空爐“偷渡客-2”（Полизон-2），加熱溫度1200℃，用于以區(qū)域融化法培養(yǎng)晶體，電爐裝有用于影響結(jié)晶過程的磁擾頻器和振蕩器；②技術(shù)程序自動控制系統(tǒng)，包括溫度監(jiān)控；③電爐真空處理系統(tǒng)；④帶實(shí)驗(yàn)材料的密封容器。

“隨航技術(shù)設(shè)備-15”（КБТС15）主要用來進(jìn)行下列試驗(yàn)：

“偷渡客-2”電真空爐

“蛋白質(zhì)”科學(xué)設(shè)備

·“微結(jié)構(gòu)”（Микроструктура）-用定向結(jié)晶方法培養(yǎng)高度完善的蛋白晶體。未來打算在太空飛行條件下進(jìn)行這種晶體的工業(yè)生產(chǎn)，這種晶體可用于制造治療腫瘤疾病的新藥和納米生物感應(yīng)器。

·“金屬間化合物”（Интерметалл）-金屬間化合物在微重力條件下定向結(jié)晶，用于獲得新的金屬合金。

·“富勒烯”IFTT（Фуллерит-ИФТТ）-低重力和振動環(huán)境對富勒烯晶體生長的影響，用于獲得指定特性的新材料。

·“均勻性”（Однородность）-研究微重力條件高均勻性對半導(dǎo)體(Ge,GaSb)單晶生長過程的影響，試驗(yàn)可優(yōu)化當(dāng)前高效熱光電轉(zhuǎn)換單晶生長的地面工藝技術(shù)。

此外，“光子”M4衛(wèi)星還裝有用液體擴(kuò)散及氣體環(huán)境擴(kuò)散法培養(yǎng)蛋白質(zhì)晶體的“蛋白質(zhì)”（Белка）科學(xué)設(shè)備。很多蛋白質(zhì)在地面條件下無法晶體化，在太空失重條件下可在特定模塊中進(jìn)行。

安裝在衛(wèi)星上的儀器“量規(guī)”（Калибр）， 用于研究微 重力對相變溫度的影響，研究結(jié)果將在當(dāng)前建造中的世界地球觀測系統(tǒng) (GEOSS)上應(yīng)用。在“光子”M4衛(wèi)星上還安裝了“振動”FM（Виброеон-ФМ）、СВС-ФМ，“防振”（Виброзащита）等儀器。所有的研究都有應(yīng)用特性，用于完善一系列技術(shù)。太空飛行結(jié)束后，“光子”M4衛(wèi)星上所有返回艙內(nèi)部帶試驗(yàn)樣品的科學(xué)儀器返回地球，以做進(jìn)一步研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果有待揭曉

“光子”M4衛(wèi)星發(fā)射后，曾于7月23日和地面失去聯(lián)絡(luò)，所幸技術(shù)人員在兩天后重新建立了聯(lián)系。俄羅斯航天局領(lǐng)導(dǎo)人奧斯塔片科當(dāng)時表示，衛(wèi)星沒能抵達(dá)預(yù)定的575千米高度軌道，這一點(diǎn)無法改變，但大部分實(shí)驗(yàn)也依然可以進(jìn)行。

2014年8月27日，俄羅斯國家委員會召開會議，討論了在“光子”M4衛(wèi)星上完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并決定讓“光子”M4衛(wèi)星著陸器盡快返回地面。

9月1日，“光子”M4衛(wèi)星在俄羅斯奧倫堡州著陸。研究人員發(fā)現(xiàn)，所有5只壁虎全部死亡，但是果蠅和微生物還活著。俄專家稱，除了有關(guān)壁虎的試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)都完成了。

俄塔斯社9月3日報道，專家在對壁虎解剖分析后認(rèn)為，它們約在著陸前2天內(nèi)同時死亡，原因可能跟壓力急劇下降有關(guān)。

俄羅斯科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物問題研究所副所長表示，在“光子”M4衛(wèi)星上的果蠅試驗(yàn)取得重大成績。這些果蠅在太空飛行了42天，這是以往的試驗(yàn)不曾有過的。對返回地面的昆蟲的研究，有助于人們理解動物器官在太空飛行中的調(diào)整適應(yīng)過程和遺傳變化。

表3 KBTS-15設(shè)備的主要特性：

相關(guān)鏈接

表4 “光子”M4衛(wèi)星的試驗(yàn)設(shè)備情況

用于太空材料科學(xué)領(lǐng)域研究的科學(xué)儀器儀器名稱 儀器研制（試驗(yàn)管理） 試驗(yàn)項(xiàng)目 規(guī)劃的試驗(yàn)成果應(yīng)用КБТС15 КАЛИБР ВИБРО КОН-ФМ航天地面基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營中心發(fā)射設(shè)施研究所（航天地面基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營中心發(fā)射設(shè)施研究所，俄羅斯科學(xué)院結(jié)晶學(xué)研究所航天材料學(xué)研究中心，俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所）航天材料學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究，獲取大批量晶體。“光子”M衛(wèi)星上的主要航天科研設(shè)備之一是“偷渡客-2”電真空爐，爐內(nèi)裝有可放置12個原料密容器的儀器箱，每個密封容器輪流進(jìn)入爐中以指定的溫度加熱，并以指定的速度從爐中抽出，晶體在密封容器內(nèi)生長。利用這樣的裝置進(jìn)行下列試驗(yàn)：微重力條件和參數(shù)對高度均質(zhì)半導(dǎo)體（Ge，GaSb）單晶培養(yǎng)過程的影響（項(xiàng)目代號“均勻性”）在微重力條件下用定向結(jié)晶方法培養(yǎng)高度完善的蛋白晶體（代號“微結(jié)構(gòu)”）在微重力條件下金屬間化合物的定向結(jié)晶（ 代號“金屬間化合物”）低重力和振動對富勒烯晶體生長的影響（ 代號“富勒烯”IFTT）在微重力條件下獲得帶摻入均質(zhì)亞微米合金化添加物的Ge:Ga和GaSb:Te，用以優(yōu)化現(xiàn)有的地面高效熱光電轉(zhuǎn)換單晶培養(yǎng)工藝技術(shù)，未來打算在太空進(jìn)行單晶工業(yè)生產(chǎn)在太空飛行條件下獲得巨生物分子晶體并進(jìn)行后續(xù)的地面研究，包括：磷酸化酶，用于制造治療腫瘤的新藥；漆酶晶體，用于制造納米生物感應(yīng)器；核糖體鈍化蛋白晶體，用于制造新藥-免疫毒素。今后打算在太空進(jìn)行這些晶體的工業(yè)生產(chǎn)修訂現(xiàn)有的金屬間化合物由融化到非平衡定向結(jié)晶的結(jié)晶模型（獲得特定性質(zhì)的合金材料。模擬在太空生產(chǎn)這種金屬的可能性）在微重力條件下獲得結(jié)構(gòu)缺陷的低密度富勒烯晶體（獲得特定性質(zhì)的合金材料。模擬在太空生產(chǎn)這種金屬的可能性）俄羅斯科學(xué)院全俄光學(xué)物理測量研究所（俄羅斯科學(xué)院全俄光學(xué)物理測量研究所，中央機(jī)械制造研究院）材料學(xué)基礎(chǔ)研究：《測量共晶體合金 Ga-In、Ga-Sn及純Ga融化/結(jié)晶過程的加熱-冷卻溫度曲線》（設(shè)備和航天試驗(yàn)代號是“量規(guī)”）研究微重力對相變溫度特性的影響，研究結(jié)果可用于正在建造的全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)（GEOSS）無線電測量校準(zhǔn)設(shè)備所采用的基準(zhǔn)中央機(jī)械制造研究院（俄羅斯科學(xué)院機(jī)械問題研究所，中央機(jī)械制造研究院）研究微重力條件下受控振動對模擬定向結(jié)晶中液相熱質(zhì)傳遞過程的影響及在多相環(huán)境中的生長過程《測定擴(kuò)散液體在彼此不混溶的液體系統(tǒng)中擴(kuò)散和分布系數(shù)》以直接觀察被測物體的運(yùn)動來確定微重力環(huán)境（代號“動力學(xué)”FM深入理解獲得大量工業(yè)產(chǎn)品所用的液體環(huán)境的過程，以提供完善工藝的可能性。獲得補(bǔ)充數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算微重力對不同液體影響的數(shù)學(xué)模型（可能用于解決與計算微重力影響相關(guān)的問題）СВС-ФМ 中央機(jī)械制造研究院（俄羅斯科學(xué)院結(jié)構(gòu)宏觀動力學(xué)研究所）在失重條件下自我繁殖高溫合成過程基礎(chǔ)研究兩項(xiàng)超高溫合成多孔復(fù)合材料（指定結(jié)構(gòu)）的試驗(yàn)。模擬這種材料在太空飛行條件下工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的可能性БЕЛКА 航天地面基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營中心發(fā)射設(shè)施研究所開展用液體擴(kuò)散和氣體擴(kuò)散方法培養(yǎng)蛋白晶體的試驗(yàn)研究在液體和氣體環(huán)境中培養(yǎng)特別大的蛋白晶體的可能性

“光子”M4衛(wèi)星返回艙外部的科學(xué)儀器

“光子”M4衛(wèi)星返回艙內(nèi)部的科學(xué)儀器

用于開展不同研究的科學(xué)儀器設(shè)備儀器名稱 儀器研制（試驗(yàn)管理） 試驗(yàn)項(xiàng)目 規(guī)劃的試驗(yàn)成果應(yīng)用ИМ-ФМ ВИБРОЗ АЩИТА中央機(jī)械制造研究院（俄羅斯應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，中央機(jī)械制造研究院）開發(fā)用于記錄微加速度的儀器設(shè)備 以開發(fā)記錄微加速度為目的的應(yīng)用研究中央機(jī)械制造研究院（俄羅斯科學(xué)院機(jī)械問題研究所，中央機(jī)械制造研究院）振動對熱轉(zhuǎn)移影響的基礎(chǔ)研究 研究獲得工業(yè)產(chǎn)品的過程，完善工藝技術(shù)КСКМ 薩馬拉國立航空航天大學(xué)測量返回艙內(nèi)部磁場變化、計算返回艙內(nèi)部制定位置在0～0.01赫茲低頻段的微加速度、模擬微加速度調(diào)整的應(yīng)用研究修訂太空飛行對航天器單獨(dú)部件的影響МРТ 俄羅斯科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)控制問題研究所在航天器飛行的所有階段多通道記錄КНА-Ф局部區(qū)域溫度數(shù)值研究航天器飛行所有階段КНА-Ф局部區(qū)域溫度數(shù)值變化