[科普中国]-航天日：一窥天宫二号堂奥

国务院日前批复同意，自2016年起,将每年4月24日设立为“中国航天日”。
中国设立第一个航天日，意义深远。今年我国在航天领域将有一系列“大动作”，特别是2016年下半年，我国即将发射天空二号空间实验室，开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的空间科学和应用实验，打造我国第一个真正意义上的空间实验室。
那么问题来了，天宫二号究竟什么来头？我们为什么要把实验室搬到太空里？在这个神秘的实验室中将进行哪些神奇的科学实验？
空间实验室VS空间站
与普通的卫星不同，天宫二号是承担着科学实验任务的空间实验室。那么，什么叫空间实验室呢？
空间实验室，顾名思义，就是建造在太空中的实验室。
这种特殊的实验室由无人空间实验室和载人宇宙飞船两部分组成。需要先发射无人空间实验室，然后再用运载火箭将载人飞船送入太空，与停留在轨道上的实验室交会对接。接下来，航天员会从飞船中进入空间实验室，开展工作，完成工作后再乘飞船返回地球。
遵循这一思路，我国建造空间实验室的第一步就是发射天宫二号，之后会发射长征七号/五号运载火箭将神舟十一号载人航天飞船送入太空，与天宫二号对接,从而完成空间实验室的建造。

图1 天宫二号空间实验室模型

那么，空间实验室与空间站又有什么区别呢？天宫二号发射以后是不是意味着我国即将拥有空间站了呢？
事情当然没有那么简单：空间站是指可供多名航天员巡访、长期工作和居住生活的载人航天器。比较著名的空间站包括前苏联发射建造的礼炮系列空间站（据说,因为当年美国先于前苏联在月球上插了国旗，霸气的前苏联大哥就一气之下建造了人类历史上第一座空间站）与和平号空间站，由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲空间局（ESA）共同建造的国际空间站（果然是“人多力量大”，这也是目前人类拥有过的规模最大的空间站）。
空间站最大的特点就是规模和体积庞大、在轨运行的时间久，比如鼎鼎大名的国际空间站至今已经为人类工作了16个年头。

图2 国际空间站

而空间实验室更像是空间站的前身，是为发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器。也就是说，空间实验室是为建造复杂程度更高的空间站所做的准备工作。
理论研究和实践经验都表明，发射空间实验室是建造空间站的重要前提和技术保障。空间实验室的发射，可对空间站的关键技术进行试验，获取经验，降低风险，为建造空间站打基础。所以，天宫二号的即将发射，并不能意味着我国即将拥有属于自己的空间站了，只能说将会为建造空间站奠定良好的基础，空间实验室并不等同于空间站。
天宫二号上“不明觉厉”的太空实验
天宫二号作为我国首个真正意义上的空间实验室，搭载的实验项目达到了史无前例的14项，它也即将成为我国“最忙碌”的空间实验室。
能够拿到登上天宫二号的“入场券”，这些实验无疑都属于当今世界最前沿的探索领域。比如，中科院力学所此次承担的“热毛细对流”研究项目。该项目将同时搭建太空和地面两个实验平台进行实验研究，天宫二号热毛细对流空间实验项目主任设计师、中国科学院力学研究所康琦研究员对该项目进行了解释。

图3 天宫二号热毛细对流空间实验项目主任设计师、中国科学院力学研究所康琦研究员

首先，什么是热毛细对流现象呢？
康琦研究员解释说，热毛细对流，是一种与流体表面或者界面相关的热对流现象。众所周知，在流体的交界面上存在着分子与分子之间的相互作用力，也就是表面张力，而随着温度的变化，表面张力的大小也会发生相应的变化。所以，当流体交界面上的温度分布不均匀时，就会造成在不同的位置表面张力的大小不同，从而形成驱动流体流动的现象，就是热毛细对流。地面晶体生长受浮力对流的影响而产生缺陷，空间晶体生长受热毛细对流影响，缺陷也时有发生。研究热毛细对流问题在实际工业生产中对于提高结晶晶体的质量具有重要意义，比如我们想生产出高质量的半导体材料，就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响。

图4 热毛细对流现象原理示意图

既然热毛细对流现象广泛存在与实际生产和生活当中，那又为什么一定要不远万里到太空中研究热毛细对流现象？
答案是由于太空特有的微重力环境。
我们都知道，在太空中物体是几乎不受重力作用的，微重力环境也就是指重力接近于零的环境条件。在这种条件下，浮力对流将会大大减小，那些影响我们研究热毛细对流现象的阻碍因素都会被无限缩小，也就是说可以将热毛细对流的真实过程进行真实地展现，从而有利于科学家进行更加深入的剖析和探索。
所以说，不远万里把实验项目送入太空完成，绝不是在浪费纳税人的钱，而是为了看清热毛细对流现象的“真面目”，科学家们也真的是蛮拼的。

图5 天宫二号液桥热毛细对流空间实验项目部分实验装置

同样的实验为什么天上地下各做一遍？
前面提到，除了随天宫二号“上天”的实验装置，在地面还预先设置了相同的实验装置，同样的实验做两遍又是什么原因呢？天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员对此作出了解答。
段俐研究员解释道，由于空间实验机会少、成本较高，而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不是用简单公式就可以准确描述的，所以需要进行地面实验，为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围。此次实验中，空间实验室与地面实验室所采用的实验装置是相同的，即一种叫做“液桥”的实验仪器。

图6 液桥实验装置示意图

上图是液桥模型的简要示意，液体位于上下两个桥柱之间，控制上下两个桥柱之间的温度差，，在液体内部形成热毛细对流。
但是，由于重力的存在，地面实验无法建立大尺寸的液桥模型，通常采用小尺寸（4-5mm直径）液桥，但依然受到浮力对流的影响，这也是科学家要将其送入太空研究的原因所在。
地面实验为太空实验提供数据参考，太空实验完成地面实验无法实现的范围，二者相辅相成，缺一不可。

图7 天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员

2011年，天宫一号的成功发射让亿万华夏儿女热血沸腾，如今天宫一号“功成身退”，天宫二号即将“接力上岗”，并将开创中国空间应用技术的新纪元。
2016年作为我国“十三五”的开局之年，除了天宫二号，长征七号/五号火箭、天舟一号货运飞船也将于今年陆续发射，在此基础上，中国将在2020年前后建成永久性空间站，并在2022年全面运行。随着科技实力的不断增强，中国正在实现由航天“大”国到航天“强”国的华丽转身。让我们一起期待。