[科普中国]-微重力

定义

微重力是指重力或其它的外力引起的加速度不超过10e-5～10e-4g。太空环境就是微重力环境。

微重力现象由于太空和地球表面环境有很大的不同，地球表面为1G重力环境，而太空处于真空状态。在太空生活与工作的航天员，由于要长期处于这种微重力环境，吃、穿、住、行等都要适应这种状态。 航天员医学监督医学保障研究室主任李勇枝告诉记者，在微重力环境中，你会有完全不同于地面的感觉。由于缺乏重力，航天员最先感觉到的就是身体是飘浮的。飞船舱内的东西，如果不用带子固定，都要飘着。航天员要想行走，只能用双手推拉舱壁来帮助身体移动。若是在舱外，则需要用特制的出舱活动装置来帮助航天员“走动”。在缺乏重力的情况下，人身体上所有与重力有关的感受器都发生了变化。四肢已感觉不到重量，人体感觉不到头部的活动。这种异常的感觉使航天员造成定向错觉，当用手推拉航天器舱壁时，感觉不到自己是前后运动，而是会认为航天器在前后运动，自己是静止不动的。非常有意思的是，在微重力环境下，航天员们个个‘武功’大增，他们可以轻松地做许多在地面很难完成甚至不可能完成的动作。如用一个指头拿大鼎、随意做各种翻滚动作等。 这种微重力环境会使航天员出现头晕、目眩、恶心、困倦等症状，对体内器官会造成影响。航天员一旦进入微重力状态，由于缺乏重力的向下吸引，全身体液会向上半身和头部转移，出现颈部静脉鼓胀，脸变得虚胖，鼻腔和鼻窦充血，鼻子不通气。而体液的转移会使航天员出现血浆容积减少，血液浓缩，导致贫血。 微重力环境对于人体的肌肉、骨骼也有一定的影响。目前世界各国已进行了大量的研究，并采取了一定的防护措施，经过多次试验，有些已取得明显的效果，但有的病症目前还不能有效解决。需要进一步地去探索和研究。 微重力的值通常为地面重力的万分之一，10-4g。

实现方法在地面获得微重力（mg）的手段主要有落塔或落井（（1~10)s的mg时间，（10e-4~10e-6）g的mg水平）、抛物线飞行的飞机（20s左右的mg时间，10e-2左右的mg水平）以及各种空间飞行器(数天~数年的mg时间，10e-4g的mg水平）。

比如美国NASA GRC的2.2s落塔和5.18s落井，德国ZARM的4.74s落塔，日本JAMIC的10s落井和MGLAB的4.5s落塔，中国科学院工程热物理所的2s落塔,中国科学院力学研究所国家微重力实验室的3.60s落塔1;实验飞机主要有美国的KC-135，法国的A-300，日本的MU-300等；探空火箭主要有美国的Black Brant,德国的TEXUS，日本的TR-1A等；空间飞行器主要有美国的航天飞机和空间实验室，俄罗斯已坠毁的和平号空间站2（Mir）。

美国航宇局有多座用于产生微重力环境的落塔。这些落塔虽然结构各异，但产生微重力的原理都相似。世界上最长的落塔是日本人建造的，长490米，是用一座废旧的矿井改建而成，可产10秒的低重力。这是目前在地面用落塔产生低重力的最长时间。
用飞机作抛物线飞行可产生30秒左右的低重力环境。所谓抛物线飞行是飞机先以45o角迅速爬高（称急升段），然后改为平飞（称平飞段），最后又以45o角下降（称下降段）。飞机在急升段和下降段，飞行员和参加实验的人员可受到2g加速度的作用，而在平飞段可体验到30秒钟的低重力环境。
用高空探测火箭也能产生几分钟的微重力环境。火箭发射以后，先是以高加速度向上爬升，到达一定高度后有效载荷舱与火箭分离；然后有效载荷舱作惯性飞行，这相当于一种抛物线弹道飞行；最后再入大气层、减速和着陆。在有效载荷舱惯性飞行期间产生微重力环境。
在地球轨道上运行的航天器是产生长时间微重力环境的理想工具。当航天器在320千米高的轨道上运行的时候，受两种力的作用：一种是重力，将航天器往地心拽，另一种是离心力或惯性力，它由于航天器绕地球运行而产生，与重力的方向相反，重力与离心力相互抵消，因而产生微重力。3

微重力应用太空材料加工在太空材料加工方面主要应用于以下几个方面：

1.晶体生长——包括以下三种类型：

a.熔体生长

b.汽相生长

c.溶液晶体生长

2.金属与合金

3.复合材料

4.玻璃

燃烧与微重力燃烧这个词所表达的是化学反应物之间强烈放热反应引发火焰的现象。很多时候人们通过判断其状况（如位置、形状、火势等），也有不发光的。燃烧不是化学释能的瞬时现象，它是有许多条件和阶段的过程。从反应物到生成物的过程中，包含有不同于化学反应的很多物理过程，这些物理过程控制着燃烧的发生、性质、种类、作用、熄灭和利用。具体包括反应物加热、相变、改变气压、气相混合及混合比控制等过程。这些过程的控制决定燃烧效率，产物对环境的污染程度，也是控制灭火条件的依据。鉴于全球能源 需求80%以上由燃烧方式满足：海、陆、空、航天运输，火电，材料加工和机器制造，生活质量保证等;减少环境污染和有效防止火灾，均有赖于对燃烧的认识，故燃烧学研究重点日益转移到物理过程研究。问题实质属液体力学范畴，因而其力学行为可用3个无量纲数（Reynolds数、Rechardson数、Grashof数）描述；换句话说，和其他流体相仿，燃烧中的气体流场对重力是敏感的。其中热传导、质量扩散、热化学反应引起的密度变化将影响这个过程；在重力场中浮力诱发的流动，和其他流体系统相仿，常表现为不稳定因素，使过程研究复杂化。消除后者可简化过程，这正是利用微重力环境的主要动机。分析微重力条件下产生的火焰，可了解燃烧及其扩展的细节。为防火灾，轨道飞行中对燃烧的研究得到航天器舱内气压和材料的选择标准、灭火概念，表明了这种实验的可行性，消除自然对流得到燃烧的明确概念和研究模式有助于对认识和利用燃烧。

生物学实验人类还利用太空微重力环境进行了一系列生物学实验，主要是对生物体物质、能量循环及调节研究的生物圈研究，利用微重力促进生命进程研究及对微重力环境如何影响地球上生物机体的形成、功能与行为研究的重量生物学研究，对暴露在空间高能环境中的生物体损伤与防护研究的辐射生物学研究等。

在空间微重力条件下进行生物体组织培养，可以避免地面重力条件所造成的对流和沉淀作用，获得比地面条件下更好的效果。4

微重力测定对于微重力（10e-4）级别的加速度值测定，对于众多科学实验及航空研究非常重要，也是国家科学技术水平的重要评定因素。目前世界上顶尖的微重力加速度测定技术主要由美国，欧洲及俄罗斯等科技强国掌握并实行技术封锁。我国对于微重力的测量技术在近10年来也有了长远的发展，出现了KA2000，KA3000等微重力系列产品，均达到了世界领先科技水平，并成功应用到我国的众多军事及科研领域，但是更稳定、更精确的测量技术仍有待更多的科学工作者的努力探索与潜心研究。

实践十号简介“实践十号卫星”是中科院空间科学先导专项中首批确定的5颗科学卫星之一，是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、开放、综合性的空间实验平台。

“实践十号卫星”工程项目首席科学家、中科院力学所胡文瑞院士告诉记者，“实践十号”项目包含19项科学实验，涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术共六大领域。

实践十号于2012年12月31日正式立项，是中国空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星，也是单次开展科学实验项目最多的卫星。其科学目标是研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律，并取得创新科技成果。

作用“实践十号卫星”旨在利用中国成熟的返回式卫星技术，紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标，结合航天器防火等关键技术需求，促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破，获取一批具有国际先进水平的、具有自主知识产权的创新性重大科技成果。

“实践十号”卫星分为回收舱和留轨舱，回收舱在轨运行12天后返回地球，留轨舱继续在轨工作3天，即卫星总计设计寿命为15天。8项流体物理试验放在留轨舱内进行，其余11项科学试验将在回收舱进行。

“实践十号”卫星分为回收舱和留轨舱，回收舱在轨运行12天后返回地球，留轨舱继续在轨工作3天，即卫星总计设计寿命为15天。8项流体物理试验放在留轨舱内进行，其余11项科学试验将在回收舱进行。

发射动态射前准备

测试中的实践十号卫星

2016年2月24日凌晨，中国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”运抵酒泉卫星发射中心，为今年4月的发射任务进行最后的备战。实践十号卫星是开展微重力科学和空间生命科学研究的科学实验卫星，由中国航天科技集团公司五院总体部抓总研制。

按照计划，“实践十号”将在轨道上利用太空中微重力等特殊环境，在短短15天的太空飞行中，完成涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术等六大领域的19项实验。之后，卫星再把实验样品带回地球，为微重力环境及复杂辐射环境中物质运动规律的研究提供依据。“实践十号”就是太空中临时搭建的一个实验室。

要把这样一个精密的实验室长途运输送往发射场，整个过程都需要控制温度和湿度，并保证平稳和安全。工作人员一丝不苟地进行装箱前的准备，确保每一个环节都万无一失。

据中国航天科技集团五院实践十号卫星副总设计师李春华介绍，实践十号卫星研制成功，将为中国开发出一个专门用于微重力科学和生命科学的实验平台，使国家的空间微重力研究有了新的技术手段。

目前，全世界的科学家们都在尝试通过各种方式营造微重力环境开展研究，比如“抛物线飞机”、“探空火箭”等实验平台可以提供几分钟甚至更短的微重力环境，但想要进行更长时间的研究，就必须运用实践十号这样的科学实验卫星。

和普通卫星不同，“实践十号”还是一颗返回式卫星，它独有的返回舱将在完成实验任务后回到地面，将太空中的实验成果带回地面。

中国的卫星返回技术相对成熟，至今成功发射并回收的卫星已经达到24颗。但因为要进行独特的微重力实验，作为中国将要发射的第25颗返回式卫星，“实践十号”相比以往的返回式卫星，进行了大量的适应性创新设计。

李春华说：“这颗卫星的形状跟其他卫星相比是非常独特的，主要是在发射过程中不需要整流罩，卫星的星体就承担了整流罩的作用。由于飞行时间短，卫星主要采用的是化学电池，而没有采用常见的太阳能帆板供电方式，所以卫星形状就类似于‘弹头’。”

卫星的研制过程中，要解决多实验载荷在太空协同工作且互不影响的问题。特别是生命科学项目对整个实验过程中的温度要求非常高，因此科研人员对卫星的发射阶段、在轨运行阶段和返回阶段的温度都进行了严格控制。

成功发射

2016年4月6日1时38分，中国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星，在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空，进入预定轨道。

据了解，该卫星将展开6大领域、19项实验，这也是中国迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的空间任务。

成功返回

顺利完成12天太空飞行后，我国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式卫星回收舱，2016年4月18日16时30分准确降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域。这不仅标志着我国返回式卫星迎来第二个春天，实践十号也成为我国首颗在四子王旗采用弹道式回收的返回式卫星。5

成果实践十号卫星的成功返回，带来了来自太空的生命繁衍迹象。

发射前四小时

在实践十号回收舱中，有着6000余枚小鼠胚胎，专门用于发育实验的有几百枚胚胎。在实践十号任务中，总共有9项生命科学实验，负责整个系统统筹的是段恩奎。

这些实验对象乘着实践十号卫星回收舱，降落在内蒙古四子王旗草原上。进一步的观察显示，小鼠胚胎在太空中完成了从二细胞到囊胚的发育，中国已经在太空实现了哺乳动物胚胎的发育。而这，在世界上是第一次，改写了人类科学史。预示着包括人类在内的哺乳动物，其生命有望在太空中得以延续。67

国家微重力实验室定位国家微重力实验室将继续以国家重大需求为目标，以积极推进微重力科学与应用研究、促进我国空间科学发展为已任，进一步加强科研、队伍和基础设施的建设，提高实验室的整体科研水平和运行管理水平，使之成为对国内外开放的、国际上一流的微重力研究中心，为国家载人航天工程和空间科学研究做出贡献。

概况二十世纪九十年代初，为适应我国空间科学发展的需要、发展我国载人航天工程及相关科学研究事业，国家863计划第一届航天领域专家委员会决定组建国家微重力实验室和国家计算流体力学实验室。1994年原国防科工委(现总装备部)原则批准在中国科学院建立“国家微重力实验室”(National Microgravity Laboratory)。1995年正式批文、在中国科学院建立“国家微重力实验室”。1998年国家微重力实验室实验楼建成，国外购置设备和国内自行研制设备相继通过验收。2003年4月总装备部对国家微重力实验室进行了全面验收，实验室工作进入正常运转。

中国科学院力学研究所国家微重力实验室落塔

国家微重力实验室现已成为我国微重力科学研究的核心实验室，为国家载人航天工程做出了重大贡献，获得集体和个人两项国家科技进步特等奖；参加和组织我国微重力科学的学科发展论证；负责组织并完成实践8号卫星留轨舱系统的微重力科学实验，取得一批重要学术成果；正在负责实践10号科学实验卫星载荷总体和科学研究总体、国家载人航天工程二期应用系统流体物理分系统的工作。鉴于其突出工作业绩，国家微重力实验室获2005年国家人事部和中国科学院联合颁发的先进集体奖，为发展我国微重力科学做出了不可替代的贡献。在学术上进行创新性研究的同时，国家微重力实验室积极参与国际微重力科学活动、开展卓有成效的国际合作与交流，是国际上有重要影响的微重力科学研究中心和用户支持中心。

作为微重力科学研究中心，国家微重力实验室目前的研究领域涉及微重力科学的主要方向，包括微重力流体物理(简单流体的运动、多相流和复杂流体)，微重力燃烧科学(燃烧机理和空间站防火)，空间材料科学(凝固过程、晶体生长和模型化研究)，空间生物技术与生命科学(生物力学、细胞-分子生物学和纳米生物技术)，在流体物理、燃烧、生物力学和先进诊断技术，以及与材料科学和生命科学的交叉与融合等领域开展了有特色的创新性研究工作，2000-2007年期间已在重要学术刊物发表论文374篇，出版专著(章节)12部。同时，国家微重力实验室还与国内基础物理界同行合作，努力促进我国空间基础物理的发展。国家微重力实验室近年来承担了多项国家重大项目，已完成国家载人航天工程、科学实验卫星等空间实验项目11项，并承担中国科学院知识创新工程和大型装备等项目20余项、国家自然科学基金重点和面上项目20余项以及其它研究项目5项，项目经费合计约1.4亿元。在国家重大需求层面，“十一∙五”期间国家微重力实验室已有5项空间实验列入国家载人航天工程(第二期)、7项空间实验列入实践10号卫星计划、2项空间实验列入中俄合作利用国际空间站俄国舱的有人操作实验计划、3项空间实验列入微重力火箭计划。

国家微重力实验室现有固定资产7585万元，引进和自行研制了仪器设备百余台(套)，具备较完善的开展微重力科学地基研究的实验体系，包括开展微重力流体物理研究的流体动力学、分散体系、光学诊断和测试、三维显微粒子图象测速等实验系统；开展微重力热科学研究的两相流、微重力燃烧等实验系统；开展空间材料科学研究的半导体晶体、气相外延、金属合金成核过冷、非透明介质、透明晶体生长等实验系统；开展生物力学和空间生物技术研究的蛋白质晶体生长、空间细胞生长和组织培养、连续流电泳、微管吸吮、激光显微光镊、原子力显微等实验系统；以及开展纳米生物技术研究的光学椭偏成像系统等，共同组成了国家微重力实验室的研究平台。作为微重力科学用户支持中心，国家微重力实验室建成了可进行短时微重力地面实验的百米落塔设施，其中落舱系统的微重力时间为3.5 s、微重力水平可达10-5×g量级，落管系统的微重力时间为3.26 s，微重力水平优于10-6×g, 可为用户提供各种技术支持和服务。8