知乎日報：剛剛發射的天舟一號除了貨運還有哪些任務？

　　天舟一號除了要運貨，與天宮二號交會對接(驗證自主快速交會對接技術)、實施推進劑在軌補加(“太空加油”)，還要開展一系列空間科學實驗和技術試驗的任務。

　　#空間實驗機會太寶貴 絕不能浪費#

　　官方説法，“天舟一號”發射成功的話，我國將成功邁入空間站時代。

　　這次的空間科學實驗和技術試驗任務，也多與空間站建設和未來規劃有關。

　　一、科學實驗：

　　微重力對細胞增殖和分化影響的研究

　　這次的科學實驗包括 8 個課題。微重力環境下胚胎幹細胞定向分化，空間骨丟失機制實驗，微重力環境下胚胎幹細胞培養實驗及抗失重情況下的骨質疏鬆新藥開發等……

　　我們在去太空做細胞培養實驗的意義是什麼?未來會有哪些可能的應用場景? - 知乎 這個問題下，説到養細胞的時候，已經舉例進行了介紹。

　　這次的實驗集中研究微重力對幹細胞增殖分化，生殖細胞分化、以及骨組織細胞結構功能影響，研究成果可用於心臟、肝臟疾病以及骨質疏鬆症等方面的治療。

　　二、技術試驗：

　　兩相系統實驗平台的關鍵技術研究

　　非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證

　　主動隔振關鍵技術驗證

　　下面我們逐個説。

　　1. 兩相系統實驗平台的關鍵技術研究

　　負責人是中國科學院力學研究所劉秋生研究員。參研單位除了中國科學院力學所，還有中山大學、中國科學院空間應用中心和東南大學。

　　這個項目將進行空間蒸發與冷凝科學實驗，對兩相系統實驗平台的關鍵技術進行研究。這是中國首次空間冷凝與蒸發相變傳熱科學與熱控技術實驗研究，也是中國首次在一個空間實驗裝置中開展 2 種以上科學與技術實驗的多目標流體物理空間實驗。

　　實驗內容包括：

　　(1)空間蒸發與冷凝流體界面熱質傳輸特性，

　　(2)重力對相變流體傳熱傳質過程的影響規律

　　(3)空間相變傳熱強化機制

　　項目除了實驗部分，還會有技術方面的驗證。主要是空間實驗工質供給、汽 / 液分離和回收技術驗證，和空間熱管理與兩相迴路控制關鍵技術驗證。

　　20 多天的在軌科學實驗裏：

　　分別在軌開展蒸發液層、蒸發液滴和冷凝三種類型的科學研究、兩相流體控制技術驗證四個階段的空間實驗，實驗時間共計 200 多小時。

　　第一階段：

　　處於組合體飛行段，實驗 2 天。

　　相繼開展蒸發液層 / 滴實驗，冷凝，和兩相迴路調試等共計 10 次實驗。

　　第二階段：

　　處於組合體飛行段，實驗 10 天。

　　計劃開展蒸發液層、蒸發液滴，冷凝實驗，和兩相迴路調試共計 45 次實驗。

　　第三階段：

　　處於自主飛行段，實驗 5 天。

　　開展蒸發液層、蒸發液滴和冷凝實驗共計 22 次實驗.

　　第四階段：

　　處於自主飛行段，實驗連續 3 天半。

　　相繼開展蒸發液層、蒸發液滴、冷凝實驗和兩相迴路技術驗證等共計 16 次實驗。

　　預期成果：

　　這是國內首次實現對微重力蒸發與冷凝過程中多物理量場的實時觀測，可望獲得空間蒸發和冷凝液膜的時空演變規律、相變非平衡熱動力學特徵等研究方面的新成果;預期能夠驗證多項空間在軌兩相流體管理與熱控等關鍵技術，為空間站兩相系統實驗櫃的工程研製奠定技術基礎;在此領域內率先獲得科學研究成果和實驗技術突破。

　　上面就是以後要放在空間站的兩相系統科學實驗櫃大概的樣子。

　　為什麼要做這個實驗，驗證這些技術?

　　首先，它很重要。

　　要建設空間站，給宇航員提供生命保障系統，這個項目就十分重要。

　　先看兩張圖。

　　圖. 空間熱流體設備

　　圖. 空間在軌流體管理

　　出現流體的地方太多了，流體流體還是流體……

　　但是地球環境和空間環境是不同的，流體的“表現”也不同。我們的已有理論，去了空間以後不好用了。

　　在地球上，蒸發與對流對我們的生活產生了非常多的影響。例如，空調、熱管等熱設備都是利用相變傳熱原理設計的換熱器。

　　空間飛行器(如載人空間站、衞星)中所處的微重力環境，沒有自然對流，這將極大影響蒸發與冷凝相變過程，熱設備工作的環境也將與我們地球上完全不同。

　　那麼，地球上的空調和熱管等散熱器是否可以直接用到太空中?它們在太空還可以正常的工作嗎?如果不能照搬地球上的現有熱設備，“太空空調、太空熱管”等空間熱設備應該怎樣設計或怎樣使用?才能更好用或更耐用?

　　前期歐美的空間實驗已經初步發現，空間微重力環境中的一些熱設備工作環境惡化，導致換熱效率明顯降低、使用壽命不如地面預期等技術問題。

　　分析原因主要是空間與地面過程存在明顯不同。

　　那麼，空間蒸發與冷凝過程中發生了什麼變化?影響相變傳熱的熱交換系數有多大改變?是變高了還是低了?如果變低了，是哪些因素造成的?

　　要想科學準確的回答上述問題，就需要利用空間微重力環境開展空間實驗，研究空間相變傳熱的特殊現象，認識其特殊規律，進而掌握克服空間相變傳熱不利影響的新方法和新技術，用於研製能很好適用於太空環境中的熱設備。

　　特別是，我們現在對微(變)重力環境中的相變界面熱毛細流動、空間兩相流體界面的瑞利 - 泰勒(R-T)不穩定性、毛細輸運穩定性等新問題和新現象的相關理論可以説是認知匱乏，所以更有必要做這些實驗，驗證這些技術，從而為空間站建設及運行所需的空間熱流體設備和空間在軌流體管理提供支持。

　　而且，與地面相比，在空間研究流體的蒸發與冷凝還挺有優勢。

　　蒸發與冷凝相變流體界面具有比一般流體界面更為複雜的流體動力學現象,如自由表面流動更無規律可循，熱邊界條件不再遵循簡單的工程熱力學模型，空間微重力環境使得流體界面效應得到相對的放大，並同時剝離了地面重力引起的浮力效應對相變界面流動與傳熱的主要影響。

　　微重力條件也使得許多因重力而產生的力項得以削弱，對冷凝過程的影響因子相對減少，有利於對冷凝過程機理的深入探究。

　　因此，我們在空間可以實現對液體變成氣體的蒸發界面和蒸汽變成液體的冷凝界面熱、質交換物理模型的精準驗證和理論分析，給出更普適的相變界面熱動力學理論模型。

　　2. 非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證

　　由華中科技大學引力實驗中心負責。

　　實驗內容：

　　計劃利用微重力環境，檢驗微米作用距離下物體之間的引力是否仍然滿足牛頓萬有引力定律。

　　這是一個純基礎物理實驗，對於統一四種相互作用、探尋新的相互作用等研究具有重要意義。

　　要做這個實驗，必須先發展出高精度的微弱力測量技術。

　　圖 非牛頓引力實驗檢驗裝置探頭盒和電控盒

　　為此，項目組發展了基於皮米級電容傳感和微伏級靜電控制技術的加速度計，稱之為靜電懸浮加速度計。如上圖所示， 由兩個設備組成，其中探頭盒實現高精度加速度的測量，電控盒為探頭盒提供電源保障和實現與衞星平台之間的數據通信功能等。

　　該加速度計是非牛頓引力實驗的技術基礎，作為弱力測量傳感器或者慣性參考是空間引力實驗必不可少的關鍵載荷之一。

　　本次空間實驗目的就是利用天舟一號貨運飛船的空間環境，對高精度靜電懸浮加速度計進行在軌檢驗。

　　通常地球表面重力加速度為1g，本項目驗證的靜電懸浮加速度計分辨本領達到10^-11g 量級，相對於地球表面重力加速度的大小而言，可以分辨其小數點後第 10 位的加速度變化，極其精密。

　　説這麼多，靜電懸浮加速度計能幹什麼?

　　高精度空間加速度計作為弱力測量傳感器或者慣性參考，是空間引力實驗必不可少的關鍵載荷之一。

　　例如，去空間探測引力波。

　　2016 年，美國地基激光干涉引力波探測器 LIGO 工作組兩次報道探測到了兩個黑洞併合時發出的引力波，引起了全世界高度關注，引力波探測及引力波天文學勢必將成為新的科技制高點之一。

　　空間引力波探測將利用數十萬到上百萬公里距離的多個航天器編隊組網開展引力波探測，該波段具有更豐富的引力波源，成為了該領域研究熱點之一。空間引力波探測中，需要更高精度測量和控制航天器的加速度擾動，需要達到 10^-15m/s^2 甚至更高，基於電容位移傳感和靜電反饋控制的慣性傳感器就成為首選的研製方案。

　　總得來説，本次飛行實驗將進一步為空間站開展“非牛頓引力實驗檢驗”、“空間等效原理實驗檢驗”以及“空間引力波探測”等實驗檢驗奠定基礎。

　　不過，天舟一號在飛行過程中，並非一直處於非常平穩的狀態，靜電懸浮加速度計會受到航天器振動噪聲的干擾。

　　好在它有一位非常好的搭檔，天舟一號貨運飛船同時搭載了中科院空間應用工程與技術中心研製的主動隔振裝置，該裝置能夠隔離飛船振動干擾，為靜電懸浮加速度計提供了一個安靜實驗平台。

　　3. 主動隔振關鍵技術驗證

　　由中國科學院空間應用工程與技術中心負責。

　　實驗內容：

　　(1)在空間進行六自由度主動隔振關鍵技術驗證，評估六自由度主動隔振控制算法，測試驗證主動隔振系統的功能和性能指標;

　　(2)在飛船平穩期為非牛頓實驗檢驗關鍵技術驗證裝置提供高水平微重力環境。

　　為什麼要做主動隔振關鍵技術驗證?

　　生活中，當我們手裏拿着一杯滿滿的水，走動時，水就容易灑;當我們手裏拿着相機，如果發生抖動，照片就會模糊。在工業生產中，靜密加工平台中遇到振動，就會造成加工失敗;結晶體中遇到振動，晶體生長就會出現瑕疵;吊艙相機中發生晃動，會影響圖像質量。

　　而航天器上，雖然處於微重力環境，但是由於星上、船上的姿軌控、風機、飛輪、帆板的動作，帶來了很多擾動。

　　根據國內外微重力測量及分析結果，表明空間飛行器由於受到各種擾動作用力的影響，其內部微重力水平並不理想。

　　科學實驗(流體、材料、基礎物理實驗)如果不能克服這些微擾動，就達不到理想的微重力效果，失去了上天實驗的意義。此外，星上的高分辨對地觀測相機、天文相機，如果遇到振動，就會發生成像模糊。激光通信、激光掃描，如果遇到船體振動，就會造成光線發散，能量耗散。

　　所以，為保證更好的微重力環境水平，實現更理想的科學研究成果，就要研製基於主動隔振裝置，實現髙微重力環境，才能給航天器上的實驗創造更好的條件。

　　技術原理：

　　圖 主動隔振裝置電控箱及主體

　　主動隔振系統由定子和浮子兩部分構成，利用磁懸浮主動控制技術，使浮子和定子非接觸，從而隔離來自飛船平台的振動。控制器通過加速度計感知浮子加速度的變化，通過位置敏感器感知定子浮子相對位置的變化，並計算反饋電流，驅動電磁激勵器，形成閉環控制。

　　圖 主動隔振裝置工作原理

　　主動隔振裝置由主體和電控箱兩台單機構成，非牛頓引力驗證裝置安裝在主體的浮子上，通過屏蔽罩封閉。

　　未來，空間站要廣泛應用這項技術，相機上也可能應用到這項技術

　　這項技術屬於國內首次實施，將使中國成為繼美國和加拿大後第 3 個在軌採用主動隔振控制技術服務於空間微重力實驗研究的國家;將極大支持和推動空間站高微重力實驗平台的研製建設，取得的技術成果，可以直接服務於未來我國空間站階段的空間科學實驗載荷。

　　未來，長期目標是做強空間磁懸浮主動隔振的技術，為更多空間應用載荷服務，例如空間光學相機、激光通信等，助力他們達到更高的指標水平，實現更高的科學和技術成果。

　　這項技術還可能在航空光學吊艙、車船減振、工業精密加工、相機防抖等方方面面發揮作用。

　　看到這裏，也許有人會問，既然這是首次實施，那以前的實驗都怎麼做的呢?

　　毛主席在《反對黨八股》一文中，曾引用一句話，叫“量體裁衣，看菜吃飯”。

　　開國大典時閲兵飛機太少，周總理説，“那就飛兩遍吧”。

　　在沒有主動隔振平台支持的時候，就，別做精度這麼高的實驗唄……

　　製作：中國科學院空間應用工程與技術中心董文博團隊 中國科學院力學研究所劉秋生團隊 華中科技大學引力中心

　　出品：科普中國

　　監製：中國科學院計算機網絡信息中心