我國首顆微重力科學實驗衞星——“實踐十號”已於 2016 年 4 月 6 日凌晨發射升空。
據悉，“實踐十號”是專門用於微重力科學和空間生命科學的實驗平台，為我國空間微重力研究提供新的技術手段。
圖 1 實踐十號微重力實驗衞星外觀
按照計劃，實踐十號將在太空中利用特殊的空間環境展開 19 項科學實驗載荷任務研究，並將在軌完成科學實驗，其回收艙將在結束太空飛行後，把 11 個項目的實驗樣品帶回地球，探索宇宙中新的科學奧秘。
同時，它也是我國已發射的科學實驗衞星中，實驗項目和數量最多的一顆。
目前，各國科學家致力於通過各種方式營造微重力環境開展研究，如拋物線飛機、探空火箭等實驗平台，利用他們的自由飛行可以獲得幾十秒或幾分鐘的微重力環境。但如果想要進行長時間微重力科學實驗，就必須運用“實踐十號”這樣的科學實驗衞星。
作為我國首顆專門的微重力科學實驗衞星，實踐十號的獨特之處有哪些?實踐十號上又將進行哪些科學實驗?實踐十號的發射對於我國航天事業的發展有怎樣里程碑式的意義?
我們特邀實踐十號衞星工程科學應用系統總師、中國科學院微重力重點實驗室副主任康琦研究員，對這些問題進行了解答。
圖 2 實踐十號衞星工程科學應用系統總師、中國科學院微重力重點實驗室副主任康琦研究員
與眾不同的“實踐十號”
康琦研究員表示，實踐十號衞星是中科院空間科學先導系列中第二顆科學實驗衞星，它將充分利用太空中長時間的微重力環境和複雜的輻射環境，開展微重力科學和空間生命科學領域的科學研究。
實踐十號引人注目的重要特點，就是其承擔的科學項目多、涉及的領域廣，它總共承載着 19 項科學任務，其中微重力科學實驗項目有 10 項，包括流體物理、微重力燃燒和空間材料科學，剩餘 9 項為空間生命科學實驗項目，涉及到流體、燃燒、材料等微重力科學領域以及輻射生物學、重力生物學、空間生物技術等空間生命科學領域。同時，作為一顆返回式衞星它的特點也得到了充分的體現，比如對返回地球后的材料及生物樣品可以進行後續的處理和深入的分析，從而獲得珍貴的科學數據。正是由於實踐十號具有這些顯著的特點，使其區別於普通的衞星，具有與眾不同的重要價值。
微重力環境研究——瞄準最前沿
據悉，“實踐十號”科學實驗項目從最初規劃至今，已走過了 10 年曆程，它是中國科學衞星系列中唯一的返回式衞星，也是承擔科學實驗項目數量最多的衞星，為開展微重力科學和空間生命科學研究搭建起一個高效、短期、綜合的空間實驗平台。康老師解釋道，長時間、高微重力水平，是微重力科學研究的一個基本要求，在這個環境中，浮力對流、重力沉降以及分層、靜壓力基本消失，航天器在軌飛行可以提供足夠長的微重力時間和良好的微重力環境，實踐十號的微重力水平可以達到 10^-3g(g 為重力加速度)，為空間科學實驗提供了理想的實驗環境，這就如同在太空中搭建了一個微重力實驗室。
作為我國首顆專門的微重力科學實驗衞星，它的發射將為我國微重力科學領域產生深遠的影響，那麼究竟什麼是“微重力環境”?開展微重力研究又怎樣的科學價值?康琦研究員給出了答案。
康琦研究員解釋説，微重力是一個比較專業的科學名詞，實際上就是我們所熟悉的“失重”。在任何一個空間中，當其微重力水平達到了 10^-3g 或者 10^-4g(g 為重力加速度)，就是處於明顯的“失重狀態”。
位於北京國家微重力實驗室的百米微重力實驗落塔，是我國進行微重力研究的重要實驗設備，然而高度百米的落塔只能夠給科學家提供短短 3.5 秒的微重力時間，想獲得更長的微重力時間、進行更深入的研究工作，還是需要到太空當中去尋找。
衞星在軌飛行時，提供了較長時間的微重力環境，這也為實踐十號所搭載的實驗項目提供了非常良好的實驗條件。在太空微重力環境下物質運動以及生命活動有很多特殊的規律，而實踐十號衞星中所搭載的科學實驗項目正是充分利用微重力環境的這些特殊性來開展科學實驗。
以實踐十號科學實驗項目中有關煤的燃燒實驗為例，人類之所以要在太空中開展這種主要在地面應用的實驗項目，是因為在地面進行的煤燃燒是一個多因素作用的結果，特別是浮力對流掩蓋了許多燃燒的基本過程，而在太空中我們把重力因素排除之後，其燃燒機制和特點、及物性參數的測量會發生怎樣的改變，這些研究成果對於提高地面煤燃燒的效率是非常有指導意義的。除此之外，實踐十號空間生命科學實驗項目中，有關於植物、動物以及現在醫學界的研究熱點——造血幹細胞及胚胎髮育的研究，對於未來空間科學的發展也具有深遠的意義，比如人類在太空中進行長期的駐留、甚至是進行太空旅行、太空遷移，這些科學實驗項目將提供關鍵性的科學依據。
圖 4 煤燃燒箱內部結構
前無古人的創新
康琦表示，實踐十號科學實驗衞星所進行的微重力科學研究，包括基礎性研究和應用性研究，並帶有鮮明的中國特色，例如“微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究”就是要利用微重力環境，揭示中國典型煤種的單個顆粒和煤粉顆粒羣在流動解耦、傳熱傳質各向同性理想狀態下的着火、燃燒和污染物生成的基本規律，準確獲得地面無法得到的一些基礎數據，發展更完善的煤燃燒理論和模型;“微重力條件下石油組分熱擴散特性的研究”將有可能改良人類目前的原油分佈預測精度;“微重力條件下非金屬材料燃燒特性的研究”則要觀察微重力條件下材料着火的規律，並與重力條件下的燃燒進行對比，從而推動中國建立自己的航天防火規範。
圖 5 落塔實驗中觀察到的液滴進入微重力環境後外形的變化
空間材料研究的轉折點
據介紹，在實踐十號返回式衞星上，專門搭載了一個材料科學研究的多功能爐，在這個實驗儀器中將進行八種新材料、新工藝的研究，包括半導體材料、合金材料以及金屬材料。在地球表面，由重力效應而產生的浮力對流、重力密度分層等現象，會對熔體材料生長過程產生極大的影響，出現不同程度的缺陷，材料的性能和質量受到很大的影響。晶體生長和材料製備在現代通信及電子產業中有很重要的地位，而在微重力環境下開展晶體生長研究，可排除浮力對流和重力沉澱效應的干擾。康琦表示，科研人員也將研究微重力環境下晶體生長和凝固過程，從而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。通過微重力環境抑制溶質浮力對流，獲得地面重力場中難以生長的高質量材料。通過此次實踐十號空間科學實驗研究，有望改善特殊材料的加工工藝過程以及促進新材料新性能的開發與應用，為我國空間材料的發展做出新的貢獻。
圖 6 實踐十號衞星非金屬材料燃燒箱
作為我國首顆專門的微重力實驗衞星，實踐十號上每一項科學實驗均經過嚴格遴選、反覆論證，前無古人的創新性研究將成為我國空間科學發展的重要契機，它承載着國人對於宇宙空間科學的求知慾望，探索更多不為人知的奧秘。
航天大國補上空間科學短板
康琦研究員表示，空間環境利用，是世界航天大國發展的基本點，包括空間技術、空間應用和空間科學，除了注重空間技術與空間應用的發展，航天強國更注重的是空間科學的發展。NASA(美國國家航天局)、ESA(歐洲航天局)在這方面取得的成果都非常突出。作為一個航天大國，我們在空間技術以及空間應用方面做出了讓世人矚目的成績，但是從航天大國轉變成一個航天強國的時候，空間科學領域實際是我們的一個短板。如果我們想要實現從航天大國向航天強國的轉變，通過自主創新實現對世界的科學發展做出貢獻，空間科學的進步是必不可少的。
作為一個發展中國家，在空間應用的基礎上發展空間科學，是我們的一個基本策略。我們國家近期也啓動了四顆科學實驗衞星，作為其中之一的實踐十號主要利用了返回式衞星這項先進的航天技術，完成微重力科學和空間生命科學的相關實驗項目，與載人航天技術相比，具有成本低、微重力水平高等特點，通過及時返回對生物樣品進行分析和處理，取得眾多創新性成果。
宇宙空間是人類最好的實驗室，同時佔據了科學上宏觀和微觀兩個世界的前沿，發展空間科學將極大推動我國前沿基礎學科的發展。未來實踐十號有望挖掘出更多地面上被重力掩蓋的科學奧秘，併為航天工程與技術的發展提供強有力的科學支撐。我們也很期待，它將為人類帶回怎樣的“驚喜”。