微重力科學實驗衛星
——“實踐十號”*

康 琦 胡文瑞

中國科學院力學研究所 北京 100190

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微重力科學實驗衛星
——“實踐十號”*

康 琦 胡文瑞**

中國科學院力學研究所 北京 100190

摘要北京時間 2016 年 4月6日1時 38 分 04 秒，酒泉衛星發射中心，“長征”二號丁運載火箭成功發射，在 559 秒后將中國科學衛星系列第二顆星——“實踐十號”返回式科學實驗衛星送入高度約250 km 的圓軌道，衛星發射取得圓滿成功。“實踐十號”衛星在太空運行15天，裝載著 19 項科學設施，共 28 項實驗。實驗內容涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射生物效應、重力生物學效應和空間生物技術 6 大方向。衛星的返回艙裝載著全部9項生物學設備以及空間材料科學多功位爐和流體物理中的輸運系數測量裝置；而留軌艙中裝載著其他 8 項微重力科學設施。

關鍵詞科學衛星，“實踐十號”，微重力科學，空間生命科學，返回式衛星

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.05.011

*資助項目：中科院空間科學戰略性先導科技專項（XDA04020400、XDA040 20202）

** 通訊作者

修改稿收到日期：2016年4 月23日

“實踐十號”（SJ-10）是專門用于“微重力科學和空間生命科學”空間實驗的返回式科學實驗衛星。微重力科學主要研究微重力（低重力）環境下物質運動的規律及重力變化對運動規律的影響。空間生命科學研究地球生物在空間環境中的生物學規律，以及生命在宇宙中的起源、進化和分布。從人類將第一個航天器以及第一位宇航員送入太空開始，微重力科學和空間生命科學就應運而生。當今，國際空間站（ISS）依然是國際空間活動的主要熱點之一，它是一個由多個國家和組織聯合實施的有人長期駐留、操作的大型空間實驗室，微重力科學、空間生命科學及航天醫學等是其主要研究內容。2013 年末，美國航空航天局（NASA）評選出國際空間站十大科學成就，其中 2 項屬于微重力科學研究、3 項屬于生命科學研究。俄羅斯也與歐空局（ESA）合作，用其專門的Foton-、Bio-系列返回式衛星共同開展微重力科學和生命科學研究。此外，探空火箭、拋物線失重飛機以及地面短時微重力落塔（落井）設施也是各航天大國進行微重力科學研究的常規手段。前期，我國微重力科學和空間生命科學的空間實驗研究主要通過各種搭載途徑開展，在返回式衛星、“神舟”系列飛船等航天器上都曾開展過相關研究，但搭載機會及其可利用的航天器資源依然十分有限。

我國 SJ-10 衛星工程于 2012 年 12 月 31 日正式啟動。工程利用 SJ-10 返回式衛星提供的長時間微重力環境及空間輻射條件，通過空間實驗遙科學技術手段和樣品回收分析方法，圍繞微重力科學與空間生命科學研究的基本和熱點科學問題，特別是針對自我模型的提出和檢驗、航天器技術及空間環境的利用、未來空間重大應用及理論突破，開展多項物質運動規律和生命活動規律的科學及技術實驗研究。揭示在地面上因重力存在而被掩蓋的物質運動規律和生命活動規律，認識在地面上無法模擬的空間復雜輻射環境對生物體的作用機理。

SJ-10 衛星共有 28 項微重力科學和空間生命科學研究，整合為 19 項載荷任務。涉及領域包括：微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射生物學、重力生物效應和空間技術 6 個學科方向。2016 年 4 月6 日 1 時 38 分 04 秒，酒泉衛星發射中心，長征二號丁運載火箭成功發射，在 559 秒后將中國科學衛星系列第二顆星——SJ-10 返回式科學實驗衛星送入高度約 250 km 的近圓軌道，衛星發射取得圓滿成功。衛星入軌后，各項載荷有序運轉，共在太空開展 21 天科學實驗。回收艙在軌工作 12 天后返回內蒙古四子王旗落區，載荷及生物樣品進行現場拆解后攜帶返回實驗室進行后期處理。留軌艙原定繼續留軌工作 3—5 日，完成后續及拓展實驗，實際繼續留軌工作 8 日。

1 微重力科學研究

SJ-10搭載的微重力科學實驗研究抓住國際微重力科學領域發展的前沿——微重力流體物理、微重力燃燒科學、空間材料科學，立足于必須在空間這一長微重力環境下才有可能認識清楚的重要物理學過程，拓展人類對微重力極端環境下物質運動規律的認知：對流、自組織和相變等各種過程，傳熱、傳質規律；微重力下材料著火、燃燒規律、煤燃燒機理；我國特色的新材料樣品在微重力下的生長和凝固過程。結果數據將有利于改善、優化地面和空間工程流體和熱能機械、材料加工過程和工藝，獲得在地面重力場中難以生長的高品質材料，為我國載人航天器安全及能源、減排等國家重大需求提供科學依據和基礎數據。

1.1 微重力流體物理

1.1.1 蒸發與流體界面效應空間實驗研究項目

蒸發相變和流體界面流動是流體物理的基本現象之一，涉及天基和地基熱機械和生保控制系統等相關的工程應用與技術開發。本項目利用空間長時間微重力環境研究蒸發相變界面的熱質傳輸特性，在軌觀測液滴蒸發過程，揭示蒸發效應與表面張力驅動對流的相互作用機制，建立界面流體動力學與傳熱理論模型。以期獲得寶貴的空間環境科學實驗數據，發展流體復雜界面動力學與相變傳熱理論，為載人航天等航天工程中的空間熱流體設備的設計開發提供理論支撐，獲得微重力環境中相變傳熱基本現象和特殊規律的研究結果。

1.1.2 顆粒流體氣液相分離空間實驗研究項目

顆粒物質團簇形成機制是包括星際塵埃行為及深空探測等在內的微重力科學研究的重要問題，微重力環境是實驗觀察顆粒氣體形成及研究其本征行為的必要條件。本項目利用衛星較長時間的穩定微重力環境，系統地研究顆粒物質團簇形成條件、弛豫冷卻過程，建立完善的理論模型，并建立可能的空間顆粒輸運、存儲新方法。此次實驗為國際首次對顆粒團簇行為（包括麥克斯韋妖現象）進行系統空間實驗，期望獲得對顆粒聚集行為的系統觀察，得以利用顆粒物質內稟特性，建立空間儲存、運輸和操作的新方法。

1.1.3 微重力沸騰過程中的汽泡動力學特征研究項目

利用空間微重力環境增大沸騰現象中氣泡生長過程的時間和空間尺度，認識生長氣泡周圍細觀運動與加熱器三維瞬態溫度場演化特征，揭示氣泡熱動力學與局部熱量傳輸間的耦合作用及其對傳熱性能的影響機制，理解沸騰傳熱內在機理，服務航天事業與地面應用。微重力條件下，重力作用被極大削弱，氣泡脫離加熱表面的驅動力減弱，會增加氣泡熱動力過程的時間和空間尺度，凸顯液-氣-固三相界面附近細觀流動與傳熱結構特征，從而方便對過程細觀機理的深入研究，有利于認識生長氣泡周圍細觀流動、氣泡底部干斑與微液層演化以及加熱器內部三維瞬態溫度場演化等過程特征。利用SJ-10 提供的長期、穩定的空間微重力環境開展單氣泡池沸騰實驗研究，其結果將加深對沸騰傳熱機理的認識，促進學科發展。

1.1.4 熱毛細對流表面波空間實驗研究項目

熱毛細對流是空間微重力環境中自然對流的主要形式，其對流模式及不穩定性表現的極為復雜。借鑒提拉法晶體生長方法，本項目采用環形液池實驗模型研究微重力環境中熱毛細對流的表面波問題，對拓展流體力學機理、促進空間（熱）流體管理以及空間、地面晶體優質生長都有重要意義和實用價值。地面環境由于浮力的作用，使流體界面問題研究受到極大的局限，特別是重力使流體體積效應研究完全不可能。本項目首次提出環形液池體系對流失穩可能極大地受到液面形貌及液體體積比的影響，采用空間注液控制方法，進行系列體積比科學實驗。

1.1.5 膠體有序排列及新型材料研究項目

流體在重力作用下會出現包括浮力對流、靜壓力不均勻分布和沉淀等物理現象，這些現象在微重力條件下幾乎消失。作為一種公認的理想模型系統，微重力條件下，膠體系統中的膠體球沒有重力沉降作用，可提供準確的局域結構信息。浮力對流受到較大抑制，沒有流體靜壓力，不產生沉降作用，這為進行界面上的自組織原位觀察提供了有利條件。實驗結果將是首次觀察到空間膠體粒子自組裝動力學過程，并獲得粒子排列過程，研究微重力條件下的自組裝機制；并將首次驗證純熵驅動的相變機制。

1.1.6 微重力條件下石油組分熱擴散特性的研究項目

原油索雷特系數（Soret Coefficients in Crude Oil，SCCO）項目是一個已持續多年的國際合作項目，已有加拿大、歐洲、俄羅斯等多個國家或地區參與，曾在俄羅斯的Foton M2 和 Foton M3 返回式衛星上進行了多次空間微重力實驗。本次中歐合作項目“微重力條件下石油組分熱擴散特性的研究和 Soret 系數的測量”是國際上一系列的SCCO 研究項目之一，是以歐空局為主，利用中國的返回式衛星，搭載歐方和中方共同研制的儀器設備，完成石油組分熱擴散系數的測量。通過本項目的研究，將有望建立多組分與兩組分熱擴散過程聯系的理論和物理模型，還將獲得不同組分的 Soret 系數的精確數據，從而可能幫助準確預測油田中石油組分分布和油氣界面位置，指導石油的開采并降低開采成本。

1.2 微重力燃燒

1.2.1 導線絕緣層著火早期煙的析出和煙氣分布研究項目

安全防火是發展載人航天必須妥善解決的最重要問題之一，典型電子電氣部件，是火災隱患的主要源頭，本項目為發展微重力下的著火監測和早期報警技術提供基礎數據和技術支撐。本項目首次在長時間的微重力環境下獲得導線在自身電流過載下的著火突變規律；首次在長時間的微重力環境下獲得導線在自身電流過載下引起的絕緣層煙氣析出及其在受限空間中的分布規律；首次獲得長時間微重力環境下過載電流大小、絕緣層厚度等因素對導線著火先期征兆的影響規律。

1.2.2 微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究項目

本項目的意義在于揭示煤在微重力條件下燃燒的基本現象，提高人們對煤燃燒基本特性和機理的認識，為修正現有模型和發展新模型提供更為準確的實驗數據，促進我國煤炭的清潔、高效和安全利用。地面微重力實驗裝置時間過短，不足以觀察煤粒的全燃燒過程和煤粉在燃燒室內達到均勻分布，本項目將獲得在傳熱傳質各向同性條件下煤粒及煤粉顆粒群著火燃燒全過程的基本現象和規律及低溫火焰特性，豐富燃燒學理論；獲得在微重力下我國典型煤種煤粉和煤粒燃燒等重要基礎參數；結合地面數據揭示浮力對煤燃燒作用的大小，為地面煤的高效低污染燃燒發展更為準確的數學模型。

1.2.3 典型非金屬材料在微重力環境中的著火及燃燒特性研究項目

空間實驗將獲得微重力環境中熱厚非金屬材料著火和火焰傳播特性的可靠數據，促進對熱厚材料在微重力條件下燃燒過程和火焰特性的深入理解，進而為載人航天器材料防火性能評價的實際應用提供科學依據。熱厚材料燃燒實驗需要的微重力時間較長，衛星等航天器為其提供了理想的實驗平臺。本項目突出載人航天器防火安全的應用方向和固體材料燃燒機理的科學需求，通過包括空間實驗在內的系統研究，將豐富和完善固體材料燃燒理論，并取得航天器火災預防的關鍵環節——材料防火性能評價的技術原理突破，直接服務于我國載人航天的工程實踐。

1.3 空間材料科學

空間材料科學項目主要開展熔體材料空間生長實驗。在地面重力條件下，與流體相關的材料制備過程中，重力引起的對流、沉降和器壁效應等將不可避免地影響材料質量。通過微重力環境抑制溶質對流，可獲得地面重力場中難以生長出的高質量材料，同時可探明地面重力效應掩蓋的影響材料質量和性能的一些次級效應。希望通過在多功能爐中的空間材料實驗，攻克在地面條件下材料制備中無法解決的難題，獲得在地面無法得到的高性能優質材料，開發新的材料制備工藝。另一方面，通過天地對比研究，揭示材料制備過程中的微觀機理和組分、結構與性能之間的內在關聯，發現新的科學現象，豐富和發展材料科學理論，指導地面的材料制備和生產工藝。

2 空間生命科學研究

緊緊抓住國際空間生命科學領域發展的前沿——空間輻射生物效應、重力生物效應、空間生物技術，立足于必須在空間這一特定環境下才有可能認識清楚的重要生物學過程，認識上述 3 個空間生命科學領域有限目標下的基本規律：（1）建立微重力環境影響植物、動物、微生物等生命體生命活動的理論基礎；（2）揭示微重力及空間輻射環境影響重要生物學過程的分子機制；（3）將理論應用于動物早期胚胎發育、干細胞生長/分化、組織的三維構建，發展空間生命科學領域相關的關鍵技術和硬件裝置，為我國載人航天工程和空間站應用等重大需求提供科學依據和基礎數據、技術。

2.1 空間輻射生物效應

2.1.1 空間輻射誘變的分子生物學機制研究項目

為了深入分析空間輻射引起的生物學效應，需要對空間粒子進行更加精細的測量，得出精細的粒子譜分布、不同位置粒子的通量分布，以及不同粒子種類對輻射損傷和流量的貢獻，而空間環境提供極低劑量、可利用的高能粒子輻射環境。因此，本項目將根據預先測算，監測模式生物接受空間輻射粒子的品質和其誘發的系統生物學變化特征，挖掘空間輻射誘發生物體遺傳變異的誘因和生物損傷的分子機制，挖掘對空間輻射環境敏感的生物分子和空間環境引起生物學效應的誘因，探索新的空間輻射生物計量評估技術，為載人航天中的深空探測任務和艙外暴露試驗打下技術基礎。

2.1.2 空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究項目

太空輻射的風險和防護研究迫在眉睫，但我國在此方面基礎還很薄弱。空間輻射與地面常規輻射有很大區別，地面模擬空間輻射也僅能模擬其某一方面的特點，無法模擬空間輻射的綜合效應，且目前地面也無法真正有效模擬出太空中微重力的環境。因此，利用 SJ-10 返回式科學實驗衛星，在真正的空間環境中進行該項目研究是十分必要的。利用項目組提出的野生型和輻射敏感的小鼠細胞和果蠅進行上述研究國內外尚無相關報道，研究將獲得原創性成果，為我國進行太空輻射的風險和防護研究提供極有價值的基礎數據和檢測手段。

2.1.3 空間環境對家蠶胚胎發育的影響和變異機理研究項目

家蠶產業是我國農業領域的支柱性產業之一，新品種的推廣應用和新型功能蛋白的開發都將極大地推動該產業的發展。空間技術應用于家蠶不僅能夠認識動物對空間環境的適應性，還有望獲得新型的家蠶突變品系而有利于家蠶新品種的開發，有重要的應用與經濟價值。本項目利用宇宙空間這個特殊的環境，以家蠶作為模式生物，系統研究空間條件下家蠶基因表達的特征，并將這些研究結果和方法推廣到其他的生物研究之中，成為空間基礎生物學研究的基礎，并為新品種的開發和相關機理的驗證提供理論指導。

2.2 重力生物技術

2.2.1 微重力植物生物學效應及其微重力信號轉導研究項目

空間飛行實驗顯示，失重會影響植物的生長發育。從植物開始進入失重狀態到產生生理和結構方面的微重力效應，需要經歷失重刺激信號的轉導、傳輸、代謝調控等中間過程，這些過程組成了一個復雜的分子調控網絡。這項空間實驗將進一步揭示介導微重力引發植物生物學效應的機理，獲得微重力對植物細胞壁代謝影響方面的新認識，深入理解植物對微重力這一特殊環境的適應機制。這些發現將有助于構建受控生命支持系統，為利用植物開拓空間提供理論基礎。

2.2.2 空間微重力條件下光周期誘導高等植物開花的分子機理研究項目

在 SJ-10 實驗平臺提供的微重力實驗條件下，應用典型的長日與短日植物光周期誘導開花特點、利用熱激誘導啟動子在軌誘導開花基因表達，來研究空間微重力條件下光周期誘導開花的作用機理，為闡明重力在光周期誘導植物開花中的作用提供新證據，為建立載人航天受控生命生態支持系統的品種培育、空間栽培提供理論與技術基礎。研究成果應用主要有 3 個方面：（1）為從全新角度認識重力在高等植物開花調控中的作用機制提供重要依據；（2）在國際上首次使用在軌微重力條件下熱激啟動基因表達及實時熒光圖像觀察的方法與技術，所構建的熱激啟動系統與實時熒光圖像系統，將為今后研究植物發育相關基因的在軌實時表達提供重要的實驗系統與分子生物學工具；（3）植物從營養生長向生殖生長轉變過程的調控直接關系到作物的產量和品質、甚至物種的延續。本次實驗獲得的空間實時數據將應用于載人航天受控生命生態支持系統的設計，并為空間植物培養提供理論依據。

2.2.3 微重力條件下細胞間相互作用的物質輸運規律研究項目

微重力條件下，物質交換環境的改變所引起的間接效應與細胞響應重力變化的直接效應共同存在，這將使空間細胞生物學實驗結果難以區分“空間環境（綜合）效應”和單純的“微重力效應”。本項目基于生物力學視角，力圖在技術上量化微重力條件下細胞培養的物質輸運條件，在科學上分析重力變化對動物細胞的直接作用與間接作用機制。項目將獲得新科學數據——微重力條件下動物細胞生物學行為的物質輸運規律；新實驗技術——新型空間動物細胞生物力學實驗裝置。驗證新型空間生物力學實驗裝置，獲得動物細胞物質輸運規律的空間實驗數據，分析重力變化對細胞的直接作用與間接作用。

2.3 空間生物技術

2.3.1 微重力條件下造血與神經干細胞三維培養與組織構建研究項目

干細胞研究是繼藥物治療、手術治療之后的又一場醫療革命，再生醫學已是近年來世界各國重點發展的高新科技領域之一。造血干細胞和神經干細胞是組織損傷修復和體細胞發育分化的重要種子細胞，是再生醫學治療疾病的重要手段。如何擴增和定向誘導造血與神經干細胞一直是再生醫學應用干細胞的關鍵技術問題。項目前期已經利用自制的空間三維生物培養反應器模擬地基微重力效應開展了多次匹配實驗，證明微重力條件影響干細胞的增殖能力與分化方向。搭載于 SJ-10 返回式科學衛星上的進一步研究，將在空間微重力條件下，為人類探究造血與神經干細胞增殖與分化的機理提供更準確、更科學的線索。

2.3.2 微重力條件下骨髓間充質干細胞的骨細胞定向分化效應及其分子機制研究項目

本項目希望建立微重力環境下干細胞培養、定向分化的技術平臺，闡明微重力影響人骨髓間充質干細胞定向分化骨細胞的生物學效應及其分子機制。分析 SJ-10 衛星返回艙攜帶的實驗結果，將獲取空間骨細胞定向誘導分化效應及其關鍵細胞信號分子相關結果；為人類將來在微重力環境下進行骨質變化的預防、治療和相關藥物開發提供理論依據。

2.3.3 微重力條件下哺乳動物早期胚胎發育研究項目

空間環境下哺乳動物與人類能否繁衍后代？空間微重力環境是否影響胚胎的正常生長和發育？相關問題一直是待解之謎。迄今為止，國內外尚無在空間微重力實驗條件下進行哺乳動物早期胚胎體外發育研究成功的報道。本項目在世界上首次獲得太空條件下小鼠早期胚胎發育結果；闡述空間微重力條件影響哺乳動物早期胚胎發育的機制，為保障人類太空活動中生殖發育健康提供科學依據。

3 結語

SJ-10 衛星工程利用我國成熟的返回式衛星技術，緊密圍繞有關能源、農業和健康等領域國家科技戰略目標，結合航天器防火等關鍵技術需求，進行重大科學問題研究，并為有關衛星型號任務進行前期試驗。SJ-10 衛星的科學應用系統聯合了中科院 11 個研究所及國內 6 所高校共同參與。除國內合作外，通過與 ESA 等國際機構開展合作研究，搭建了中國和國際空間強國緊密合作的互通平臺，共同孕育空間微重力科學和空間生命科學領域的新發展、新突破。SJ-10 衛星每一項科學實驗都經過嚴格遴選、反復論證，具有創新性、針對性和很好的科學前景，預期將獲取具有國際先進水平的、具有自主知識產權的創新性重大科技成果，促進地面生物工程、新材料等高技術發展和生命科學等基礎研究取得突破，對于推動我國空間微重力科學和空間生命科學發展具有重要意義。

（相關圖片請見封二）

康 琦 中科院力學所研究員、博士生導師，“實踐十號”返回式科學衛星工程科學應用系統總設計師。主要研究領域包括：微重力流體物理、實驗力學。E-mail: kq@imech.ac.cn

Kang Qi Researcher of Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences （CAS）, doctoral supervisor, Chief Designer of application system, SJ-10 satellite engineering. His major is experiment mechanics, including microgravity sciences and fluid physics.

E-mail: kq@imech.ac.cn

胡文瑞 男，流體物理學家。中科院院士，國際宇航科學院院士，中科院力學所研究員，“實踐十號”返回式科學衛星工程首席科學家。主要研究領域包括：空間科學、微重力流體物理。E-mail: wrhu@imech.ac.cn

Hu Wenrui Male, Researcher of Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences （CAS）, Academician of Chinese Academy of Sciences, Academician of International Academy of Astronautics, and Chief Scientist of SJ-10 satellite engineering. His major is fluid physics, including space science and microgravity fluid physics. E-mail: wrhu@imech.ac.cn

專題：空間科技助力“一帶一路”建設Exchange & Cooperation

Microgravity Experimental Satellite —?SJ-10

Kang Qi Hu Wenrui
（Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）

AbstractThe Long March-2D carrier rocket carrying the “SJ-10”, the 24th recoverable satellite of China, blasts off from the launch pad at the Jiuquan Satellite Launch Center at 1:38’04’ am of April 6, 2016. It took 559 seconds to send this satellite, the second of the series, into the circular orbit of approximately 250 km high. The SJ-10 program provides a mission of space microgravity experiments including both fields of microgravity science and space life science. It is designated to promote the scientific research in the space microgravity environment by operating the satellite at lower earth orbit for 2 weeks. There are 19 scientific facilities on board the satellite, of which 9 biological facilities, multiple work position furnace of space material science, and transport coefficient measuring device of fluid physics in re-entry module, and 8 microgravity facilities in orbit capsule. Totally 28 experiments include 18 ones in the field of microgravity science （6 in microgravity fluid physics, 4 in microgravity combustion, and 8 in space materials science） and 10 in the field of space life science （3 in radiation biology, 3 in gravitational biology, and 4 in space biotechnology）. These experiments were selected from more than 200 applications. Scientific purposes of these experiments are summarized as follows: to promote the basic research of fluid physics and biology experiments; to support the manned space flight for fire safety research; to improve the human health by biotechnology studies; and to develop the high-technology by experimentsof coal combustion, materials processing and biotechnology.

Keywordsscientific satellite, SJ-10, microgravity science, space life science, recoverable satellite