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(wèi)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(wèi)星—實踐-10從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空。它是空間科學先導專項首批科學實驗衛(wèi)星中唯一一顆返回式衛(wèi)星，也是單次搭載空間實驗項目最多的衛(wèi)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(huán)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(huán)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(wèi)星是一個很好的選擇。返回式衛(wèi)星運行周期短，適合開展短周期的空間科學實驗。這種衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，且比較便宜。其外形類似于彈頭，所以發(fā)射時不需要整流罩，衛(wèi)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(wèi)星系列中唯一的返回式衛(wèi)星，也是我國開發(fā)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(shù)手段。它利用我國成熟的返回式衛(wèi)星技術(shù)，緊密圍繞有關(guān)能源、農(nóng)業(yè)和健康等領(lǐng)域國家科技戰(zhàn)略目標，結(jié)合航天器防火等關(guān)鍵技術(shù)需求，促進地面生物工程、新材料等高技術(shù)發(fā)展和生命科學等基礎(chǔ)研究取得突破，獲取具有國際先進水平和自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)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(fā)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(guān)。該衛(wèi)星沒有安裝太陽電池翼，以免產(chǎn)生振動而影響科學實驗。

其主要任務(wù)是充分利用衛(wèi)星返回艙和留軌的儀器艙，結(jié)合“促進我國空間微重力科學和空間生命科學發(fā)展”這一國家科技戰(zhàn)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(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)六大領(lǐng)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(shù)據(jù)。該衛(wèi)星回收艙把實驗樣品帶回地球后，用于開展微重力環(huán)境及復雜輻射環(huán)境中物質(zhì)運動規(guī)律的研究，而留軌的儀器艙繼續(xù)工作3天。這是我國第一次進行如此大規(guī)模的微重力和空間生命科學實驗，其中的關(guān)鍵問題是要解決多實驗載荷在太空協(xié)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(zhì)運動及生命活動的規(guī)律，取得創(chuàng)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(nèi)在機理及動力學過程和不穩(wěn)定性；驗證類分子氣液相分離理論；研究純熵驅(qū)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(zhì)的交叉擴散規(guī)律；揭示微重力下著火、燃燒、污染物生成的規(guī)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(guī)律和合金組織形態(tài)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(fā)展相關(guān)理論。三是研究生命體對微重力的感受、傳導、響應(yīng)機理及其功能調(diào)控的機制，探索細胞、胚胎和組織對微重力的響應(yīng)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(wèi)星，通過衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成多項科學研究空間實驗任務(wù)，實現(xiàn)科學實驗樣品的回收和科學數(shù)據(jù)的下傳。

實踐-10的總質(zhì)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(yōu)于1×10-3gn。衛(wèi)星由有效載荷、結(jié)構(gòu)、熱控、控制、推進、供配電、測控、天線、數(shù)管、工程參數(shù)測量和回收共11個分系統(tǒng)組成。衛(wèi)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(wù)艙和密封艙，返回艙包括回收艙和制動艙?；厥张撛谕瓿扇蝿?wù)后再入大氣軟著陸并回收。

2　實驗項目

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

在衛(wèi)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(wèi)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(fā)與流體界面效應(yīng)空間實驗研究

此實驗觀測液滴蒸發(fā)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(fā)速率。它是利用太空微重力環(huán)境研究具有蒸發(fā)相變界面的熱質(zhì)傳輸特性，觀測蒸發(fā)液滴的表面蒸發(fā)傳熱過程與表面張力驅(qū)動對流的相互作用規(guī)律，為相關(guān)空間兩相系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)提供新理論。

蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實驗研究裝置（蒸發(fā)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(shù)和體系顆粒數(shù)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(huán)境實現(xiàn)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(huán)境中實現(xiàn)顆粒分倉聚集，獲得空間顆粒物質(zhì)輸運的方法，建立相關(guān)理論依據(jù)。

顆粒流體氣液相分離振動實驗裝置（顆粒物質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)部三維瞬態(tài)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(nèi)在機理。它是利用太空微重力環(huán)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(shù)據(jù)，加深對沸騰現(xiàn)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(xiàn)象及其規(guī)律的認識，促進學科發(fā)展，服務(wù)于我國相關(guān)空間技術(shù)研發(fā)。

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(tài)，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(huán)境進行熱毛細對流表面波的空間實驗，建立環(huán)形（圓柱形）液池熱毛細對流空間實驗系統(tǒng)，研究環(huán)形體系熱毛細流動的失穩(wěn)規(guī)律和轉(zhuǎn)捩途徑，首次開展體積效應(yīng)問題研究，深刻理解熱毛細對流的不穩(wěn)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(huán)境中利用典型膠體體系研究純熵驅(qū)有序相形成和演化過程，獲得結(jié)構(gòu)形成和動態(tài)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(shù)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(yīng)的索里特（Soret）系數(shù)。它是利用太空微重力環(huán)境獲得包括中國石油樣品在內(nèi)的石油不同組分的索里特系數(shù)的精確數(shù)據(jù)，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(guī)律差異的產(chǎn)生機制。

石油組分的索里特系數(shù)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(huán)境闡明微重力環(huán)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(guī)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(shù)學模型，闡明微重力下火災發(fā)生、演變機理及其產(chǎn)物的分布規(guī)律。

石油組分的索里特系數(shù)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(huán)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(fā)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(fā)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?zhèn)鞑ニ俣群臀廴疚锱欧诺取Ｋ锰瘴⒅亓Νh(huán)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(zhì)各向同性理想狀態(tài)下的著火、燃燒和污染物生成的基本規(guī)律，準確獲得地面無法得到的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)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(huán)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?zhèn)鞑嶒?。對試樣進行加熱和點燃，測量試樣點燃和火焰?zhèn)鞑ト紵^程中的溫度變化數(shù)據(jù)，獲得試樣點燃和火焰?zhèn)鞑ト紵^程中的圖像。它利用太空微重力環(huán)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(huán)境流動、氧氣濃度和材料形狀等主要因素對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律，并建立材料著火及火焰?zhèn)鞑?、演化的理論和模型?/p>

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(wù)；提供材料實驗所需的高溫溫場環(huán)境，實現(xiàn)多樣品的轉(zhuǎn)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(huán)境研究微重力環(huán)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(chǔ)。通過微重力環(huán)境抑制熔質(zhì)對流，可獲得地面重力場中難以生長的高質(zhì)量材料，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求與發(fā)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(jīng)歷的空間粒子輻射，評估生物個體接受空間輻射的品質(zhì)。它利用太空微重力環(huán)境研究評估生物接受空間輻射的品質(zhì)，及其與對應(yīng)的輻射損傷和遺傳變異的關(guān)聯(lián)；挖掘空間輻射與微重力協(xié)同的生物學效應(yīng)機制；挖掘空間輻射敏感性功能基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對生物學功能的影響；分析空間輻射環(huán)境引起基因組不穩(wěn)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(yīng)研究

此實驗完成小鼠細胞、果蠅等生物樣品在軌培養(yǎng)實驗；測量生物樣品所經(jīng)歷的空間粒子輻射。它利用太空微重力環(huán)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(wěn)定性改變的效應(yīng)；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(chǔ)數(shù)據(jù)和檢測手段。

空間輻射對基因組的作用和遺傳效應(yīng)實驗裝置（輻射基因盒）

（3）空間環(huán)境對家蠶發(fā)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(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)境開展家蠶發(fā)育、基因和蛋白質(zhì)表達等方面的研究，在理論上闡明空間環(huán)境中家蠶突變產(chǎn)生頻率和機理，行為改變程度，在技術(shù)上建立空間與地面相結(jié)合的實驗體系，驗證理論研究，新品種開發(fā)和相關(guān)機理。

空間環(huán)境對家蠶發(fā)育的影響與變異機理的研究裝置（家蠶培養(yǎng)箱）

（4）微重力植物生物學效應(yīng)及其微重力信號轉(zhuǎn)導研究

微重力植物生物學效應(yīng)及其微重力信號轉(zhuǎn)導研究裝置（植物培養(yǎng)箱）

此實驗完成植物細胞生物樣品在軌培養(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)境深入了解介導微重力引發(fā)植物生物學效應(yīng)的機理，顯示平衡石是否介導微重力信號產(chǎn)生微重力效應(yīng)；驗證植物激素在介導微重力信號產(chǎn)生微重力效應(yīng)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(zhì)素代謝所產(chǎn)生的影響及其過程。

（5）微重力下細胞間相互作用的物質(zhì)輸運規(guī)律研究

此實驗完成骨組織細胞生物樣品在設(shè)定物質(zhì)輸運條件下的在軌培養(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)境通過定量控制微重力環(huán)境下的物質(zhì)傳輸條件，認識微重力下細胞代謝、結(jié)構(gòu)重組及增殖與分化對物質(zhì)傳輸條件依賴的規(guī)律，為定量認識重力變化影響細胞生理的內(nèi)在機制提供依據(jù)，力求解決空間細胞生物學實驗的技術(shù)瓶頸問題。

微重力下細胞間相互作用的物質(zhì)輸運規(guī)律研究實驗裝置（物質(zhì)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(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)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(shù)思想，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作物栽培和品質(zhì)選育提供理論基礎(chǔ)；同時，應(yīng)用于載人航天受控生命生態(tài)支持系統(tǒng)的設(shè)計，并為空間植物培養(yǎng)提供理論依據(jù)。

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(jīng)干細胞三維培養(yǎng)與組織構(gòu)建研究

此實驗完成造血與神經(jīng)干細胞樣品在軌培養(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)境首次開展微重力條件下造血與神經(jīng)干細胞三維培養(yǎng)研究，揭示微重力下細胞三維生長的基本規(guī)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(gòu)建等世界性難題的新途徑。

微重力條件下造血與神經(jīng)干細胞三維培養(yǎng)與組織構(gòu)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(fā)育研究

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

微重力條件下哺乳動物早期胚胎發(fā)育研究裝置（胚胎培養(yǎng)箱）

（9）空間骨細胞定向分化效應(yīng)研究

此實驗完成骨髓間充質(zhì)干細胞樣品在軌分化培養(yǎng)實驗。它利用太空微重力環(huán)境研究微重力環(huán)境下人骨髓間充質(zhì)干細胞向骨細胞分化的潛能；認識微重力環(huán)境對人骨髓間充質(zhì)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(diào)節(jié)分化效應(yīng)中的關(guān)鍵作用。

空間骨細胞定向分化效應(yīng)實驗裝置（骨髓培養(yǎng)箱）

3　科學應(yīng)用

實踐-10衛(wèi)星科學應(yīng)用系統(tǒng)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(wù)是：審定空間實驗項目的科學目標和研究內(nèi)容的調(diào)整，確定空間實驗技術(shù)方案，及時進行空間在軌科學實驗下傳結(jié)果分析判斷，并提出空間實驗任務(wù)計劃調(diào)整方案；開展空間實驗地基相關(guān)研究，涉及各有效載荷的空間實驗環(huán)境匹配研究、樣品與載荷的相容性試驗研究、空間實驗關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)進行處理和分析，形成高級數(shù)據(jù)產(chǎn)品；根據(jù)獲得的空間實驗數(shù)據(jù)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(huán)境對物理過程的影響，給出初步研究結(jié)論，深入開展相關(guān)的理論和實驗分析研究，得到正確的科學結(jié)論，達到實踐-10衛(wèi)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