[科普中国]-微重力科学

微重力科学发展历程

微重力科学和应用研究走过了比较平静的几年。在国际上，以美国、俄罗斯、欧洲的主要国家以及日本等国参与建设的国际空间站，尤其是用于微重力科学研究的主要设备和空间实验舱的组建工作已经接近完成，国际上缺少其他空间实验平台开展微重力科学实验机会。我国微重力科学研究正在进行长期的科学发展规划，地基研究和卫星科学搭载实验获得了积极进展，也为后续的研究奠定了良好的基础。2

国际微重力科学发展历程由于微重力科学具有的重大学术意义和应用价值，吸引了一批科学家汇聚到这一领域，使其在国际微重力科学前沿十分活跃。美、俄、德、法、日本等国投人大量人力、物力及财力来支持和推动微重力科学的发展。近30年来在载人飞船、空间站和航天飞机上进行了许多实验，并获得了一些重要的成果。20世纪80年代后期，这些科技发达国家越来越重视微重力科学基础研究工作。与材料加工和生物制备过程密切相关的流体物理基本规律研究也备受重视，在材料制备的定量化和模型化研究方面取得重要进展。90年代后期，随着国际空间站的建设，美国NASA、欧洲ESA、日本NASDA等空间站的主要参加国纷纷制定了在轨道上的研究战略计划，研究领域主要集中在微重力流体物理及其相关的燃烧学、材料科学以及生物技术等前沿领域，研究计划将一直持续到2020年。随着国际空间站的日益建成和运行，在美国NASA的2002年计划中，立项支持微重力科学项目624个，其中空间实验项目105个。上述计划包括ESA等国的空间实验研究将于2007～2010年陆续开始。此外，国际微重力流体物理科学界经过长期的探索和发展，形成了明确的长期研究目标：利用空间微重力环境在物理、化学和生物科学等自然现象的研究上获得新的认识；另一方面转移空间研究的关键技术，改进地球上的工业和商业活动，促进地基高科技的发展。微重力流体物理的研究越来越受到世界各空间大国，甚至包括巴西、印度等发展中国家的高度重视，同时也是国际空间站今后的主要研究内容之一，预计其科学研究在2010一2020年问取得丰硕成果。在此基础上，近来欧、美国空间强国还同时强调进行微重力流体物理的应用开发研究，促进地面的许多应用效益，并为载人航天技术和工程需要服务。

国际上目前对发展空间微重力研究十分重视，美、欧、日等国都注人大量的资金、人力。NASA在克里夫兰的美国西储堡大学和NASA的Glenn研究中心联合成立了国家微重力研究中心，主要从事微重力流体物理和燃烧研究。德国布来梅的ZARM建立了150米落塔，主要从事微重力流体物理和燃烧的研究。意大利的MARS中心和比利时的微重力研究中心主要从事微重力流体物理的研究。除这些国家级的研究中心外，还有一批学校内的微重力流体物理和燃烧的研究集体。这些研究集体在各国空间局的支持下，正在促进相应的研究，如国际空间站(ISS)载有由美国Glenn研究中心研制的流体科学综合柜架、日本NASDA的流体物理实验设施。ISS还搭载欧空局(ESA)研制的流体科学实验室。从ISS搭载的这些流体物理研究设施可见，目前国际微重力流体物理研究势头强劲，流体物理研究一直是并继续是国际微重力科学研究的重要内容。在2002财政年度中，NASA共批准流体物理研究148项，其中空间实验29项，微重力燃烧104项，空间实验23项。最近，NASA的生物与物理研究优先化论证工作组(ReMAP)认为，在国际空间站的利用中应该最先发展微重力物理研究，包括凝聚态物质、基本定律、相变、流体动力学与稳定性、细胞生物学等。国际空间站是人类开发和探索空间的一个重大步骤，它将为微重力空间科学实验提供一个重要平台，并促进微重力科学研究在2010—2020年间取得丰硕成果。在此基础上，近来欧、美国空间局还同时强调进行微重力的应用开发研究，促进地面的许多应用效益，并为载人航天技术和工程需要服务。

近年来，国际空间站正在加紧组建，空问站实验项目的研究和安排正抓紧进行。目前，微重力研究的发展趋势同时强调基础研究和应用开发研究。近些年来，微重力流体力学除了强调传统的对流和扩散过程的研究之外，还发展了多相流和复杂流体的流体动力学过程的研究。这些研究具有理论上的重要意义，将促进流体力学的新体系、界面过程、相变过程、传热和传质过程、胶体科学、软物质科学等学科的进展。例如，在胶态晶体生长研究方面，国外已经开展了空问实验，并准备利用国际空间站进行更多的实验。美国、欧洲、日本都在这方面组织安排、实施了许多研究计划并取得了进展。NASA(美国国家航空航天局)特别在国际空间站安排了耗资巨大的长远研究任务。哈佛和普雷斯顿大学的科举家．利用率问实验，已对硬球胶体晶体的研究方面取得了初步成果。

我国微重力科学发展历程我国微重力科学界白2003年10月我国首次载人航天飞行取得圆满成功后，先后在“神舟2号”至“神舟4号”飞船上进行了包括空间生物技术、空间材料和微重力流体物理等方面的微重力科学搭载实验，获得了大量科研成果。中国科学院空间科学与应用中心、中国科学院光电研究院、力学研究所、上海硅酸盐所、物理所、半导体所、动物所和相关高校等是参与我国载人航天工程微重力科学空间实验研究的主要部门，承担并圆满完成了空间实验研究任务，推动了我国微重力科学实验研究水平的进一步发展。2004年年初多个单位和个人分别获得国务院颁发的“中国载人航天工程”获国家科技进步奖特等奖和国家授予的“中国载人航天工程”突出贡献者奖章，以及中国科学院表彰的载人航天工程突出贡献者和优秀工作者等荣誉。2004年之后随着我国载人航天工程一期的逐渐收尾，空间微重力实验计划转入二期，我国的微重力实验机会主要转向利用我国的实验卫星和国际合作平台，以弥补我国微重力空间实验机会的减少。总之，空间实验项目相对减少、实验手段多样化和微重力科学界的国际合作是2004—2008年间国内外微重力科学发展的新趋势和特点。

近几年以来，我国微重力研究深入总结了前期在“神州”系列飞船上完成的空间细胞培养实验和空间蛋白质晶体生长实验、多样品空间晶体生长材料实验和微重力液滴热毛细迁移流体物理空间实验等多项研究成果，并于2005年10月在日本佐贺县武雄市召开的“第六届日中微重力科学研讨会”双边会议上进行了介绍。2005年8月在我国第22颗返回式科学与技术实验卫星上成功进行了空间细胞培养实验、过冷池沸腾实验、气泡热毛细迁移实验和空间接触角测量四项空间搭载实验，实验依托公用控制平台及图像记录仪等组成的卫星搭载分系统，与卫星热控、遥测、遥控等分系统相连接，实现了预定的空间科学实验目标。2006年9月9日搭载我国“实践8号”育种卫星进行了涉及微重力流体物理，空间基础物理，微重力燃烧和生命科学与生物技术的九项空间实验。该项目将育种卫星的留轨舱作为一个微重力实验平台，利用遥科学技术进行了一批不需要样品回收的微重力实验，发展了我国的卫星微重力平台及相关技术，并为我国未来的微重力科学实验卫星进行了良好的初期探索。

微重力流体物理是微重力科学的基础，主要开展有关应用基础研究，诸如液桥热毛细对流及稳定性、二层流体的对流、气/液界面动力学、液滴/气泡热毛细迁移、润湿性、润湿角等以材料制备、流体管理及燃烧为背景的基础性研究。同时开展材料制备过程模型化、晶体材料生长机理以及细胞与组织培养的流体物理问题等与材料科学和生物技术交叉的学科研究。近几年又拓展了在微重力两相流、微重力燃烧及复杂流体动力学方面的研究领域，对二相流流型、压降、传热、沸腾、分散体系聚集行为、稳定性及复杂流变体系等开展了研究，在地基研究及空间实验方面取得多项成果。2

我国微重力科学研究目标1．“十一五”期间(2006—2010年)

组织“实践10号”返回式空间科学实验卫星，进行微重力科学和空间生物技术的实验研究。

2．“十二五”期间(2011—2015年)

利用科学实验卫星、“神舟”飞船、落塔、抛物飞行以及国际合作等多种渠道开展微重力科学实验与生物技术的研究，进行空间基础物理的近距离非牛顿引力实验检验和冷原子钟的研制。

3．“十三五”期间(2016—2020年)

以我国空间实验室(空间站)为技术依托，开展长期的微重力科学与生物技术研究，初步建立我国的微重力科学空间实验平台。2

我国微重力科学发展计划微重力流体物理研究1、开展微重力流体力学基础理论研究：

1)研究热毛细对流及稳定性，热毛细气泡、液滴动力学等；

2)研究空间材料流体生长中的凝固界面过程和微流动、泡沫物理等；

3)研究流体热、质传输的soret效应和Dufour效应。

2、微重力工程流体力学研究：

1)研究具有热、质交换的相变界面过程，如空间微重力环境下蒸发与冷凝、热管和毛细泵、沸腾传热等相变界面的热、质传输规律；

2)研究空间流体相关的毛细现象和流体界面浸润(接触角)现象，包括流体与多孔介质特性；低温推进剂的空间储存与管理；空间焊接工艺等；

3)研究空间热流体及其热管理基本规律，包括微重力两相流动现象，沸腾传热规律，空间气/液分离技术等。

3、复杂流体和颗粒介质研究：

1)研究胶体晶体以及液晶相变过程、胶体聚集过程以及与聚集有关的分维结构、流变特性以及它们与聚集和相变过程之间的关系和相互影响；

2)研究以月壤表面环境为代表的弱重力场中颗粒物质的运动行为与应力传播规律，开展颗粒气态动力学以及稠密颗粒体系静力学方面研究。

4、开展低重力环境(月球、火)流体流动特征规律和流体管理研究，如结冰、颗粒与灰尘、蒸发与冷凝、多相流等。

微重力燃烧研究在燃烧基础研究方面选取对我国能源和环境发展可能产生重大影响的科学问题，重点开展以下实验研究：

①液雾燃烧和污染物形成过程；

②固体燃料燃烧特性和粉尘燃烧；

③碳黑生成机理；

④湍流燃烧。

在航天器防火安全方面针对空间环境中火灾发生和发展的特点以及我国载人航天工程发展的战略需要，优先开展以下研究：

①航天器用非金属材料的燃烧特性；

②材料焖烧机理；

③火灾的早期信号特征和探测器响应；

④火灾产物迁移特性；

⑤水雾灭火机理；

⑥月球表面等低重力环境中的防火安全问题。

空间材料科学研究(1)研制专门用于空间材料科学研究的模块、实验舱乃至专门的空间材料科学实验室。

(2)研发更多的适于空间应用的材料科学研究设备。通过小型化、集成化、轻质化的努力，从设备层面上拓展空间材料科学的研究机会与研究范围。逐步实现对实验体系的电磁场加载，实验过程的实时观测，气体和液体的管理，大温区内的精确温度控制，人工干预实验过程等攸关空间材料科学研究深度与广度的能力建设。

(3)开展界面与相分离现象、液体物理、流变行为、熔化凝固现象，(带电)固体颗粒流及粉尘的运动规律，过冷与玻璃态行为，量子相变等科学问题的研究；进行胶体与流变液、量子物质、无机一有机一生命杂化结构、金属泡沫结构等具有重要学术价值和广泛用途的材料或材料结构研究。

空间基础物理实验(1)寻找可能影响质心运动的宏观物体自旋与地球引力场之间的新型相互作用力。

(2)在微米的作用力程检验对牛顿引力反平方定律的可能偏离。通过在稳定的微重力卫星平台上开展近距离非牛顿引力实验进行检验，并进一步提高实验精度。

(3)开展基于冷原子物理的空间基础物理研究。在空间冷原子钟研制的基础上，测量地球引力的时间膨胀效应、基本物理常数的时空变化测量；开展空间冷原子干涉仪的研究、空间玻色一爱因斯坦凝聚和费米子凝聚的研究、基于冷原子物理的各类新型探测器研究。2

微重力科学研究意义没有重力作用时，不仅液滴滴不出，悬浮物也不下沉，此时表面张力对液体起主要作用。微重力环境最吸引人的地方是液体和气体中的效应，如热对流的消失、液体不再使用容器等。这对扩散现象和原子输运实验减少了干扰，从而能够更准确地检验理论，设计新的实验。对整体输运、材料的结晶、成核以及过冷研究也带来了新的可能。总之，从地面常重力到空间微重力发生了环境参数变化和场的变化。

从微观方面看，在原子分子水平上，重力与它们之间的静电力相比可以忽略不计。甚至非极性分子之问的电分子中起伏的偶极矩在另一分子中感生了偶极矩，从而产生的相互作用的范德瓦尔斯力也小得多。但对于一个临界系统，其它力将近平衡的关节点上，只需要较小的力就可以影响发展方向时，或者分子集合增大到重力梯度可与同等的分子力相比时，重力作用就显现出来。作为物理学范畴的临界现象研究，近些年发展很快，微重力可以消除液体临界点静压力影响，阻止相分离过程中发生沉淀和对流，将有助于临界现象的实验和找出普遍规律。

本世纪50年代，随着空间技术的迅猛发展，失重研究特别是燃料管理系统和其它液体系统的设计，成为重要问题。在空间飞行器温控系统的发展中，利用相变材料存储热量的实验和研究，提出了失重情况下的材料凝固的某些问题。空间轨道飞行中的焊接和金属熔解问题，牵涉到在表面张力占支配地位的液态金属的流动研究。80年代航天飞机出现及空间站的设立，不仅可进行科学实验。还实现了小批量生产。总之，微重力科学应用的巨大潜在经济利益使它成为投资目标，作为一种资源进行开发。3

相关实验2006年，我国微重力科学工作者利用育种卫星“实践8号”留轨舱微重力平台搭载了九项实验：“高等植物生长发育实验”、“细胞胚胎发育实验”、“星载加速度计实验”、“池沸腾传热实验”、“微重力环境物质传质过程研究”、“颗粒物质运动行为实验”、“导线着火前期特性”、“热毛细对流表面位形及体积效应实验”和“材料焖烧实验”。

科学实验系统搭载“实践8号”卫星于2006年9月9日升空进行在轨空间实验，卫星返回舱于9月24日回收，之后在卫星留轨舱中继续进行了3天科学实验，全部空间实验于9月28日结束。微重力搭载实验服务系统工作正常，所有在轨实验按飞控计划完成。在轨下传与记录的工程参数和科学数据正常，图像清晰，微重力搭载实验系统完成了从设备研制到在轨飞行实验结束整个过程的研制和实验任务。2