我國空間站建造拉開帷幕 在太空空間站都能做什么

我國空間站建造已于今年拉開帷幕，定于2022年在軌建造完畢，實現(xiàn)中國載人航天工程三步走發(fā)展戰(zhàn)略第三步的任務(wù)目標。

開展長期有人照料的大規(guī)模空間應(yīng)用是建造空間站的最終目的。那么，位于太空的空間站究竟能做些什么?今天我們約請全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩和讀者聊一聊。

1 剝?nèi)ブ亓ρ谏w的新穎物理世界

很多人都看過2013年我國女航天員王亞平在“天宮一號”目標飛行器內(nèi)做的5個物理小實驗，感到很震撼、很神奇，因為這些看似平常的小實驗在地面重力環(huán)境下很難做出來。在地面無法創(chuàng)造出長期的微重力環(huán)境，在空間站上則有得天獨厚的條件，而且很多物質(zhì)在微重力環(huán)境中都有與眾不同的獨特現(xiàn)象。

例如，在空間站里水不再往低處流，甚至可以用竹籃打水;液體中密度不同的成分不會發(fā)生沉淀和對流;水和蠟燭燃燒都會呈球狀，等等。

在空間站微重力環(huán)境下，地面重力效應(yīng)所掩蓋的一些次級效應(yīng)凸顯，從而導(dǎo)致流體形態(tài)和物理(化學(xué))過程等發(fā)生顯著變化，影響或改變流動和燃燒機制，也影響到相關(guān)的材料(包括生物材料)加工及制備過程。微重力還會對一些基礎(chǔ)物理的實驗條件產(chǎn)生重要影響，能夠以更高的指標和精度開展實驗，對重要的基礎(chǔ)物理理論進行驗證。此外，由于各種生物包括人類的生存和進化一直是在重力環(huán)境下實現(xiàn)的，所以微重力環(huán)境對生物體及其各層次的影響也會十分顯著。因此，微重力環(huán)境是開展相關(guān)科學(xué)研究獨特而寶貴的資源。

在空間站內(nèi)，微重力引起的流體擴散過程成為主要因素;流體中浮力基本消失，液體的約束力來自于表面張力，潤濕現(xiàn)象(液體在另一種物體表面的擴散現(xiàn)象)和毛細現(xiàn)象加劇，因此，發(fā)展空間站的國家都積極開展微重力物理、微重力生物學(xué)和微重力生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究，同時還進行有關(guān)生產(chǎn)制造和加工工藝實驗，大力開展微重力應(yīng)用和實驗研究。

研究空間燃燒科學(xué)，能增進對燃燒基本原理受重力影響的了解，從而增進對在地面上燃燒的認識，這有助于提高燃燒效率，解決污染、大氣變化、全球變暖、火災(zāi)等問題。由于人類社會主要依靠燃燒獲得能源，提高燃燒效率對社會的影響是巨大的，石油的燃燒效率每提高1%，全世界每年就可以節(jié)省幾億桶石油。

2 研究生物和航天醫(yī)學(xué)的圣地

不少國家都在空間站上開展了生物工程方面的實驗，這是因為在地面由于重力的作用，在蛋白質(zhì)溶液中，密度小的會上浮，密度大的會下沉，從而形成對流。這種對流在蛋白質(zhì)結(jié)晶過程中產(chǎn)生漩渦，改變了蛋白質(zhì)分子結(jié)晶的方位，造成晶格雜亂，無法獲得足夠高品質(zhì)和足夠大的蛋白質(zhì)結(jié)晶。但在空間站微重力環(huán)境下，由于沒有沉淀和對流的影響，所以能夠生產(chǎn)出足夠大的高品質(zhì)蛋白質(zhì)晶體，為深入研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其功能創(chuàng)造了良好的條件。

空間站上的航天員常把自己作為研究對象，開展航天醫(yī)學(xué)研究，以揭示太空環(huán)境對重要生命現(xiàn)象及生命過程的作用與影響，從而增進對生命起源、生命現(xiàn)象和本質(zhì)以及生命活動基本規(guī)律的認識，為發(fā)展地基生物技術(shù)提供理論依據(jù)，并為改善人長期在太空生活質(zhì)量提供依據(jù)。

俄羅斯醫(yī)學(xué)生物問題研究所副所長波利亞科夫博士在“和平號”空間站上創(chuàng)造了連續(xù)逗留438天的世界紀錄，目的就是要研究長期在太空生活和工作對人的生理和心理有哪些影響，以便為今后載人登火星做準備。美國還用一對雙胞胎兄弟分別在國際空間站上和地面進行了為期一年的對比實驗，以研究他們的差異。

我國曾在太空用生物培養(yǎng)箱，進行了植物、動物、水生生物、微生物、細胞和細胞組織等空間環(huán)境生物學(xué)效應(yīng)實驗，從不同層次上研究了不同類別生物體和多元生物封閉系統(tǒng)的空間環(huán)境效應(yīng)，并提供了空間生命過程調(diào)控的新技術(shù)、新思路，獲得和選取了新穎的生物材料;通過小型空間連續(xù)自由電泳儀，開展了細胞和生物大分子空間分離純化方法和技術(shù)研究，利用空間分離純化實驗考核了有關(guān)方法和技術(shù)，為空間生物樣品分離純化和空間制藥奠定了基礎(chǔ)。

我國首位女航天員劉洋在“天宮一號”上完成了15項航天醫(yī)學(xué)實驗，其中最主要的有5項：研究飛行對心血管的影響、微重力時細胞的調(diào)節(jié)作用、空間骨丟失的防護、采集并分析艙內(nèi)有害氣體、在軌測量人體質(zhì)量。其目的是要首先保證航天員在太空的健康，為后續(xù)載人航天任務(wù)防護措施的制定提供理論依據(jù)。

3 開展觀地、望天和技術(shù)試驗

航天員參與對地觀測后，能提高遙感裝置的利用率，快速而準確地對新發(fā)現(xiàn)的目標和新情況進行分析和判斷，從而拍攝了大量有價值的資料。例如，美國“天空實驗室”上的3批航天員在171天的飛行過程中，共拍攝了4萬多張地面照片，記錄觀察地球數(shù)據(jù)的磁帶長達69千米。蘇聯(lián)“禮炮7號”空間站上的航天員，每天用60%的時間從事對地球的研究，搜集了大量地球自然資源、地質(zhì)地貌、大氣層狀況、耕地季節(jié)變化、世界海洋變化和水生物狀況等信息。

通過航天員在飛行過程中所拍攝的照片，蘇聯(lián)重新精確而詳細地繪制了本國的地圖。在貝加爾湖-阿穆爾新鐵路的勘測選線工程中，蘇聯(lián)利用空間站航天員通過多光譜相機拍攝的地面照片，了解了該地段的構(gòu)造斷層和地下水匯聚點，為鐵路部門節(jié)省了700萬盧布投資。

用空間站進行天文觀測，可以不受大氣層的影響，航天員靈活操作天文望遠鏡，選擇觀測重點，擴大觀測范圍，并具有邊觀測邊分析的能力。

美國“天空實驗室”空間站在載人飛行期間，航天員用58種儀器進行了天文、地理和醫(yī)學(xué)等270多項科學(xué)研究，用太陽望遠鏡觀測太陽，拍攝了18萬張?zhí)柣顒拥恼掌?用6種遙感儀器對地球進行觀測，勘探地球資源，偵察軍事目標，并拍攝了4萬多張地面照片;用7種儀器研究了太陽系和銀河系的情況，錄制了30多千米長的錄像磁帶。

空間站的一項重要用途就是進行技術(shù)試驗，為未來的載人航天和其他航天活動做準備。航天員已在“國際空間站”上開展重返月球和載人登火的技術(shù)試驗。

我國在發(fā)射“神舟七號”飛船時，曾在艙外放置了許多種固體潤滑材料和太陽電池基底薄膜材料進行暴露試驗。實驗完畢后，由航天員翟志剛出艙回收試驗樣品，并隨返回艙帶回地面進行了研究。

4 微重力“空間工廠”前景美好

由于在空間站微重力環(huán)境中的液體能自由懸浮，因此適合進行太空材料加工研究，揭示被引力所掩蓋的各種真實現(xiàn)象和材料物理現(xiàn)象的本質(zhì)，尋求消除地面制備材料中缺陷的方法，提高地面制備材料的質(zhì)量。國外空間站現(xiàn)已生產(chǎn)了少量高品質(zhì)的材料和作為基準的具有特殊性能的材料。

在空間站內(nèi)的混合物可以均勻地混合，由此能制成地面上不能得到的特種合金;也能制成一種新的泡沫金屬。其基本原理是在液態(tài)金屬中通以氣體，失重環(huán)境可使氣泡不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣就能制成輕得像軟木塞似的泡沫鋼，用它做機翼又輕又結(jié)實。微重力環(huán)境可使熔化了的金屬的液滴形狀呈絕對球形，冷卻后可以成為理想的滾珠，非常耐磨損，而在受重力影響的地面上很難制造出絕對球形的滾珠，因此不耐磨。

在地面上不能制成很長的玻璃纖維，這是因為沒等到液態(tài)的玻璃絲凝固，就會由于重力的作用被拉成小段，但在太空能制造出幾百米長的玻璃纖維。在太空還可進行無容器的“懸浮冶煉”，消除容器對材料的污染，防止容器本身由于高溫而影響金屬冶煉的純度，獲得純度極高的產(chǎn)品，等等。在太空生產(chǎn)的半導(dǎo)體晶體與在地面生產(chǎn)的相比，沒有缺陷、個體更大、純度更高、更加均勻，有望獲得電子技術(shù)的重大突破。

在空間站上制藥，可獲得地面難以達到的高純度和高效率，并可利用太空研究獲得對機理的認識，用以指導(dǎo)地面藥物制備。目前，藥物提純廣泛應(yīng)用電泳法。但在地面由于受重力的影響，會出現(xiàn)一些嚴重妨礙電泳正常進行的現(xiàn)象，使許多已經(jīng)研究出的藥物因達不到所需的純度或成本太高而無法推廣應(yīng)用。而太空電泳試驗表明，其分離效率比地面高400-800倍。太空制造1個月的產(chǎn)量，大約等于地面制造30-60年的產(chǎn)量，產(chǎn)品純度比地面的高4-5倍，從而使藥物成本大幅度下降。

延伸閱讀

“天宮”空間應(yīng)用條件很好

我國“天宮”空間站運行于傾角41-42°、軌道高度340千米至450千米的近圓低地球軌道，約90分鐘繞地球一圈，采用近似三軸穩(wěn)定對地指向。其軌道完全脫離了地球大氣，處于地球電離層F2層，適于開展巡天類空間天文觀測和特定空間物理研究;對地球觀測而言，空間站軌道覆蓋南北緯42°以內(nèi)、地球人口居住90%的區(qū)域，與一般地球遙感衛(wèi)星采用的太陽同步軌道相比，空間站軌道的交點地方時在不斷變化，可實現(xiàn)對同一地區(qū)可變光照條件下的觀測;由于軌道高度較低，相同對地觀測儀器的空間分辨率較高。

“天宮”可提供長時間的微重力環(huán)境，微重力水平為10-3至10-4g(重力加速度單位)，因而能為航天員在空間站開展空間應(yīng)用提供很好的條件。現(xiàn)在，“神舟十二號”乘組已進入空間站“天和”核心艙，他們在那里逗留3個月。此后的每個乘組都將逗留6個月。他們均具有執(zhí)行空間實驗及其他任務(wù)的能力，包括對有效載荷進行在軌操作、狀態(tài)監(jiān)視、樣品更換、回收處置等，以及按要求完成有效載荷項目的在軌建設(shè)和擴展。航天員乘組還具有艙內(nèi)外載荷維修與更換能力。

中國載人航天工程利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長在軌駐留、天地往返等有利條件，共規(guī)劃安排了11個空間科學(xué)與應(yīng)用研究方向。在“天宮”空間站的三個艙段內(nèi)可布設(shè)25臺科學(xué)實驗柜，每個科學(xué)實驗柜相當(dāng)于一個綜合性的研究實驗室，可以支持開展單學(xué)科或多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實驗。在艙外布設(shè)了67個標準暴露載荷接口。

據(jù)悉，“天和”核心艙內(nèi)現(xiàn)已搭載了高微重力實驗柜和無容器實驗柜。在地面上用容器冶煉時，容器承載熔體會引入雜質(zhì)，在熔體凝固過程中會受器壁影響生長出復(fù)雜的微觀組織形態(tài)。無容器冶煉的意思就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態(tài)下實現(xiàn)熔煉的過程。無容器實驗柜承擔(dān)的就是這樣的實驗任務(wù)。

基于上述，我國“天宮”空間站有望取得有重大科學(xué)價值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果，并將用于科普教育和國際合作等。(龐之浩)