在太空中搭建的臨時實驗室我國首顆微重力科學實驗衛星實踐-10凱旋

宗河/文 祁首冰/本文編輯

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在太空中搭建的臨時實驗室我國首顆微重力科學實驗衛星實踐-10凱旋

北京時間2016年4月6日01：38，我國首顆微重力科學實驗衛星—實踐-10從酒泉衛星發射中心升空。它是空間科學先導專項首批科學實驗衛星中唯一一顆返回式衛星，也是單次搭載空間實驗項目最多的衛星，專門用于微重力科學和空間生命科學的空間實驗研究。該星回收艙于4月18日按計劃返回地面，儀器艙工作到4月21日。

1　總體概述

目前，不少國家的科學家們都想利用多種方式打造微重力環境開展研究，比如拋物線飛機、探空火箭、宇宙飛船和空間站等實驗平臺，但它們有的只能提供幾分鐘甚至更短的微重力環境，有的則價格昂貴，帶回樣品比較有限，周期也較長， 這對空間生命科學等一些短周期科學實驗有較大限制，要想進行周期和價格都合適的微重力研究，返回式衛星是一個很好的選擇。返回式衛星運行周期短，適合開展短周期的空間科學實驗。這種衛星技術現已比較成熟，且比較便宜。其外形類似于彈頭，所以發射時不需要整流罩，衛星的星體就承擔了整流罩的作用。

實踐-10是目前我國科學衛星系列中唯一的返回式衛星，也是我國開發出的一種專門用于開展微重力科學和空間生命科學研究的高效、短期、綜合空間實驗平臺，使我國的空間微重力研究有了新的技術手段。它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，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，獲取具有國際先進水平和自主知識產權的創新性重大科技成果，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。這個在太空中臨時搭建的實驗室工作壽命15天，這與電池的電量有關。該衛星沒有安裝太陽電池翼，以免產生振動而影響科學實驗。

其主要任務是充分利用衛星返回艙和留軌的儀器艙，結合“促進我國空間微重力科學和空間生命科學發展”這一國家科技戰略目標，開展涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射效應、重力生物效應、空間生物技術六大領域的19項空間科學實驗，其中有11項回收，從而得到第一手數據。該衛星回收艙把實驗樣品帶回地球后，用于開展微重力環境及復雜輻射環境中物質運動規律的研究，而留軌的儀器艙繼續工作3天。這是我國第一次進行如此大規模的微重力和空間生命科學實驗，其中的關鍵問題是要解決多實驗載荷在太空協同工作且互不影響的問題，特別是生命科學項目對整個實驗過程中的溫度要求非常高。

其科學目標是：開展空間科學實驗，研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下物質運動及生命活動的規律，取得創新科技成果。它開展三方面科研：一是用于研究對流、相變傳熱的內在機理及動力學過程和不穩定性；驗證類分子氣液相分離理論；研究純熵驅有序相形成和演化過程，探索裂紋形核、液晶相形成和金屬納米粒子自組裝機制；研究多組分介質的交叉擴散規律；揭示微重力下著火、燃燒、污染物生成的規律。二是在空間制備新型的半導體晶體、金屬合金及復合材料，揭示晶體生長過程中摻雜原子的選擇性占位規律和合金組織形態形成與演化機制，深入理解材料從熔體中形成的界面動力學過程并發展相關理論。三是研究生命體對微重力的感受、傳導、響應機理及其功能調控的機制，探索細胞、胚胎和組織對微重力的響應機制，揭示生物的空間輻射損傷及遺傳變異機制。

其工程目標是：研制一顆返回式空間科學實驗衛星，通過衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面支撐系統和科學應用系統協調工作，完成多項科學研究空間實驗任務，實現科學實驗樣品的回收和科學數據的下傳。

實踐-10的總質量約為3600kg，搭載了600多千克科學載荷，運行在高約252km、傾角43°的圓軌道，在軌飛行15天，星上微重力水平優于1×10-3gn。衛星由有效載荷、結構、熱控、控制、推進、供配電、測控、天線、數管、工程參數測量和回收共11個分系統組成。衛星整體為柱錐組合體形狀，分為返回艙和儀器艙兩個艙段，其中儀器艙包括服務艙和密封艙，返回艙包括回收艙和制動艙?；厥张撛谕瓿扇蝿蘸笤偃氪髿廛浿懖⒒厥?。

2　實驗項目

實踐-10的有效載荷分系統由19個科學實驗裝置和載荷支持子系統（包括載荷管理器和數傳發射機等）組成，科學實驗裝置在載荷支持子系統的控制下開展空間科學實驗，接收和傳輸科學實驗數據，實現科學目標。

在衛星搭載的19項科學實驗項目中，有10項微重力科學實驗項目，9項空間生命科學實驗項目，是迄今為止單次空間微重力和生命科學實驗項目及種類最多的衛星空間科學實驗研究，每一項都具有很強的科學研究價值。

微重力科學空間實驗

（1） 蒸發與流體界面效應空間實驗研究

此實驗觀測液滴蒸發過程中的熱流量、液滴形貌和接觸角變化，獲得液滴的平均蒸發速率。它是利用太空微重力環境研究具有蒸發相變界面的熱質傳輸特性，觀測蒸發液滴的表面蒸發傳熱過程與表面張力驅動對流的相互作用規律，為相關空間兩相系統的應用與開發提供新理論。

蒸發與流體界面效應空間實驗研究裝置（蒸發對流箱）

（2）顆粒流體氣液相分離空間實驗研究

此實驗觀測在多種振動參數和體系顆粒數密度等條件下，顆粒在兩倉或三倉中的運動行為、團簇的形成與分布情況。它是利用太空微重力環境實現顆粒流體氣液相分離實驗，檢驗顆粒氣體的類分子氣液相分離理論，完善顆粒氣體團簇形成機理的模型；在微重力環境中實現顆粒分倉聚集，獲得空間顆粒物質輸運的方法，建立相關理論依據。

顆粒流體氣液相分離振動實驗裝置（顆粒物質箱）

（3）微重力沸騰過程中的汽泡動力學特征研究

此實驗通過局部過熱實現微重力沸騰汽泡生成時刻與位置的時空精確定位，進而對微重力池沸騰現象中汽泡生長過程的熱動力學特征進行細致觀測，認識生長汽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，揭示汽泡熱動力學與局部熱量傳輸過程間的耦合作用及其對沸騰傳熱性能的影響機制，理解沸騰傳熱的內在機理。它是利用太空微重力環境進行沸騰過程中的汽泡動力學特征研究，獲得微重力單汽泡池沸騰過程中汽泡動力學特征及傳熱特性數據，加深對沸騰現象中汽泡形成-成長-脫落過程、液-汽-固相互作用等局部流動與傳熱現象及其規律的認識，促進學科發展，服務于我國相關空間技術研發。

沸騰汽泡動力學實驗裝置（沸騰汽泡箱）

（4）熱毛細對流表面波空間實驗載荷初步方案

此實驗通過改變注液量形成不同流體界面形態，觀測流體表面溫度分布、溫度振蕩及表面形變等多物理參量變化及演變過程。它是利用太空微重力環境進行熱毛細對流表面波的空間實驗，建立環形（圓柱形）液池熱毛細對流空間實驗系統，研究環形體系熱毛細流動的失穩規律和轉捩途徑，首次開展體積效應問題研究，深刻理解熱毛細對流的不穩定性和振蕩機理。

熱毛細對流表面波空間實驗裝置（毛細對流箱）

（5）膠體有序排列及新型材料研究載荷初步方案

此實驗觀察微重力下膠體粒子、聚苯乙烯微球以及金納米顆粒包覆聚苯乙烯微球的自組裝動力學過程，以及微重力下液晶相變過程。它是在太空微重力環境中利用典型膠體體系研究純熵驅有序相形成和演化過程，獲得結構形成和動態演化信息，探索液晶相形成、膠體微球以及金屬納米粒子包覆膠體顆粒自組裝機制。

膠體有序排列及新型材料研究裝置（膠體材料箱）

（6）石油組分的索里特系數測量

此實驗建立有溫度梯度而無浮力對流條件下的熱擴散過程，獲得相應的索里特（Soret）系數。它是利用太空微重力環境獲得包括中國石油樣品在內的石油不同組分的索里特系數的精確數據，幫助預測油田中石油組分分布和油氣界面位置，進而指導石油的開采；進一步認識多組分與兩組分熱擴散規律差異的產生機制。

石油組分的索里特系數測量裝置（索里特實驗箱）導線絕緣層著火特性研究實驗裝置（導線特性箱）

（7）導線絕緣層著火特性實驗載荷初步方案

此實驗分別在3種電流大小、3種絕緣層厚度和3種絕緣層材料下，以及導線自身電流過載時，觀測絕緣層著火先期征兆、著火前期煙的析出特性和析出的煙氣在有限密閉空間中的分布。它利用太空微重力環境闡明微重力環境下典型非金屬材料導線絕緣層的火災先期征兆及著火早期煙氣析出及分布規律，建立準確預測微重力下典型非金屬材料火災早期征兆的數學模型，闡明微重力下火災發生、演變機理及其產物的分布規律。

石油組分的索里特系數測量裝置（索里特實驗箱）導線絕緣層著火特性研究實驗裝置（導線特性箱）

（8）微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究載荷初步方案

此實驗觀測測量不同爐溫、不同煤種、不同粒徑和環境氣體成分條件下，單個球形煤顆粒和煤粉顆粒群的燃燒全過程，包括熱解、揮發分釋放、著火及火焰形狀、燃盡等過程，測量著火溫度、著火時間、揮發分燃燒時間、燃盡時間等，觀測顆粒表面的氣體密度變化以及火焰傳播速度和污染物排放等。它利用太空微重力環境揭示我國典型煤種的單個顆粒和煤粉顆粒群在流動解耦、傳熱傳質各向同性理想狀態下的著火、燃燒和污染物生成的基本規律，準確獲得地面無法得到的一些基礎數據，發展更完善的煤燃燒理論和模型。

微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究實驗裝置（煤燃燒箱）

（9）典型非金屬材料在微重力環境中的著火及燃燒特性研究

此實驗依次對實驗樣品進行著火和火焰傳播實驗。對試樣進行加熱和點燃，測量試樣點燃和火焰傳播燃燒過程中的溫度變化數據，獲得試樣點燃和火焰傳播燃燒過程中的圖像。它利用太空微重力環境揭示熱厚非金屬材料在微重力條件下的著火和燃燒特性，認識環境流動、氧氣濃度和材料形狀等主要因素對火焰傳播的影響規律，并建立材料著火及火焰傳播、演化的理論和模型。

非金屬材料著火和燃燒特性實驗裝置（非金屬燃燒箱）

（10）空間材料生長研究

此實驗完成微重力條件下熔體材料生長實驗任務；提供材料實驗所需的高溫溫場環境，實現多樣品的轉位換位、提拉生長、高溫溫度的精確控制功能；完成6個工位（8項樣品）的空間材料生長實驗。它利用太空微重力環境研究微重力環境下晶體生長和凝固過程，理解材料從熔體中形成的界面動力學，為改善地面晶體生長工藝奠定基礎。通過微重力環境抑制熔質對流，可獲得地面重力場中難以生長的高質量材料，服務國家戰略需求與發展。

用于進行空間材料生長研究的空間多功能材料合成爐（多功能爐）

空間生命科學空間實驗

（1）輻射生物學試驗載荷初步方案

此實驗綜合測量水稻等模式生物材料經歷的空間粒子輻射，評估生物個體接受空間輻射的品質。它利用太空微重力環境研究評估生物接受空間輻射的品質，及其與對應的輻射損傷和遺傳變異的關聯；挖掘空間輻射與微重力協同的生物學效應機制；挖掘空間輻射敏感性功能基因的調控網絡對生物學功能的影響；分析空間輻射環境引起基因組不穩定的機理。

輻射生物學實驗儀（生物輻射盒）

（2）空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究

此實驗完成小鼠細胞、果蠅等生物樣品在軌培養實驗；測量生物樣品所經歷的空間粒子輻射。它利用太空微重力環境通過研究野生型和輻射敏感的動物細胞和果蠅模型，定量研究空間輻射對基因組穩定性改變的效應；尋找新的空間輻射敏感標志生物分子，從而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。

空間輻射對基因組的作用和遺傳效應實驗裝置（輻射基因盒）

（3）空間環境對家蠶發育的影響與變異機理的研究

此實驗完成家蠶生物樣品在軌培養實驗。它利用太空微重力環境開展家蠶發育、基因和蛋白質表達等方面的研究，在理論上闡明空間環境中家蠶突變產生頻率和機理，行為改變程度，在技術上建立空間與地面相結合的實驗體系，驗證理論研究，新品種開發和相關機理。

空間環境對家蠶發育的影響與變異機理的研究裝置（家蠶培養箱）

（4）微重力植物生物學效應及其微重力信號轉導研究

微重力植物生物學效應及其微重力信號轉導研究裝置（植物培養箱）

此實驗完成植物細胞生物樣品在軌培養實驗。它利用太空微重力環境深入了解介導微重力引發植物生物學效應的機理，顯示平衡石是否介導微重力信號產生微重力效應；驗證植物激素在介導微重力信號產生微重力效應中的作用；認識微重力對植物細胞分裂和周期、糖代謝及細胞壁木質素代謝所產生的影響及其過程。

（5）微重力下細胞間相互作用的物質輸運規律研究

此實驗完成骨組織細胞生物樣品在設定物質輸運條件下的在軌培養實驗。它利用太空微重力環境通過定量控制微重力環境下的物質傳輸條件，認識微重力下細胞代謝、結構重組及增殖與分化對物質傳輸條件依賴的規律，為定量認識重力變化影響細胞生理的內在機制提供依據，力求解決空間細胞生物學實驗的技術瓶頸問題。

微重力下細胞間相互作用的物質輸運規律研究實驗裝置（物質輸運箱）

（6）空間微重力條件下光周期誘導高等植物開花研究

此實驗完成水稻、擬南芥植物樣品在軌培養實驗。它利用太空微重力環境，了解并初步闡明微重力對長日與短日植物光周期誘導開花的影響及其分子機理，形成新的學術思想，為農業生產上作物栽培和品質選育提供理論基礎；同時，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。

空間微重力條件下光周期誘導高等植物開花研究裝置（高等植物箱）

（7）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

此實驗完成造血與神經干細胞樣品在軌培養實驗。它利用太空微重力環境首次開展微重力條件下造血與神經干細胞三維培養研究，揭示微重力下細胞三維生長的基本規律及其對自我更新、分化與功能的影響，探索解決目前干細胞非分化性增殖、高效定向分化、三維組織構建等世界性難題的新途徑。

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裝置（干細胞箱）

（8）微重力條件下哺乳動物早期胚胎發育研究

此實驗完成小鼠胚胎樣品在軌培養實驗。它利用太空微重力環境，以小鼠早期胚胎為研究對象，通過研究太空環境對哺乳動物早期胚胎生長發育的影響，揭示空間環境條件下動物早期生命活動規律，為未來長期太空飛行中保障人類生殖發育健康提供科學依據。

微重力條件下哺乳動物早期胚胎發育研究裝置（胚胎培養箱）

（9）空間骨細胞定向分化效應研究

此實驗完成骨髓間充質干細胞樣品在軌分化培養實驗。它利用太空微重力環境研究微重力環境下人骨髓間充質干細胞向骨細胞分化的潛能；認識微重力環境對人骨髓間充質干細胞定向分化骨細胞影響的Ras/ERK/Runx2信號通路及細胞信號分子PI3K在調節分化效應中的關鍵作用。

空間骨細胞定向分化效應實驗裝置（骨髓培養箱）

3　科學應用

實踐-10衛星科學應用系統由空間實驗運控中心以及空間科學實驗項目組成。其主要任務是：審定空間實驗項目的科學目標和研究內容的調整，確定空間實驗技術方案，及時進行空間在軌科學實驗下傳結果分析判斷，并提出空間實驗任務計劃調整方案；開展空間實驗地基相關研究，涉及各有效載荷的空間實驗環境匹配研究、樣品與載荷的相容性試驗研究、空間實驗關鍵技術研究、地基對比實驗及地基參比實驗等；對空間實驗材料及生物樣品進行處理和分析，對空間實驗數據進行處理和分析，形成高級數據產品；根據獲得的空間實驗數據以及回收的材料和樣品，分析各種空間因素以及實驗條件和環境對物理過程的影響，給出初步研究結論，深入開展相關的理論和實驗分析研究，得到正確的科學結論，達到實踐-10衛星工程預定的科學目標。

熱毛細對流地面匹配實驗

宗河/文 祁首冰/本文編輯

China's First Microgravity Scientific Experiment Satellite SJ-10 Returns Successfully