微重力

微重力又稱為零重力，不是由地球的引力產生的，而是由於太空殘餘大氣等因素造成的。嚴格說來，應是“零重量”而不是零重力。

最近美國航宇局的科學家對微重力環境下了一個比較科學的定義：微重力環境是指在重力的作用下，系統的表觀重量遠小於其實際重量的環境。 目前產生微重力環境最常用的方法有4種：落塔、飛機、火箭和太空飛行器。

基本介紹

• 中文名：微重力
• 外文名：microgravity
• 別稱：零重力
• 舉例：太空環境
• 產生方法：落塔、飛機、火箭和太空飛行器

定義

微重力是指重力或其它的外力引起的加速度不超過10e-5～10e-4g。太空環境就是微重力環境。

微重力現象

由於太空和地球表面環境有很大的不同，地球表面為1G重力環境，而太空處於真空狀態。在太空生活與工作的航天員，由於要長期處於這種微重力環境，吃、穿、住、行等都要適應這種狀態。 航天員醫學監督醫學保障研究室主任李勇枝告訴記者，在微重力環境中，你會有完全不同於地面的感覺。由於缺乏重力，航天員最先感覺到的就是身體是飄浮的。飛船艙內的東西，如果不用帶子固定，都要飄著。航天員要想行走，只能用雙手推拉艙壁來幫助身體移動。若是在艙外，則需要用特製的出艙活動裝置來幫助航天員“走動”。在缺乏重力的情況下，人身體上所有與重力有關的感受器都發生了變化。四肢已感覺不到重量，人體感覺不到頭部的活動。這種異常的感覺使航天員造成定向錯覺，當用手推拉太空飛行器艙壁時，感覺不到自己是前後運動，而是會認為太空飛行器在前後運動，自己是靜止不動的。非常有意思的是，在微重力環境下，航天員們個個‘武功’大增，他們可以輕鬆地做許多在地面很難完成甚至不可能完成的動作。如用一個指頭拿大鼎、隨意做各種翻滾動作等。 這種微重力環境會使航天員出現頭暈、目眩、噁心、睏倦等症狀，對體內器官會造成影響。航天員一旦進入微重力狀態，由於缺乏重力的向下吸引，全身體液會向上半身和頭部轉移，出現頸部靜脈鼓脹，臉變得虛胖，鼻腔和鼻竇充血，鼻子不通氣。而體液的轉移會使航天員出現血漿容積減少，血液濃縮，導致貧血。 微重力環境對於人體的肌肉、骨骼也有一定的影響。目前世界各國已進行了大量的研究，並採取了一定的防護措施，經過多次試驗，有些已取得明顯的效果，但有的病症目前還不能有效解決。需要進一步地去探索和研究。 微重力的值通常為地面重力的萬分之一，10-4g。

實現方法

在地面獲得微重力（mg）的手段主要有落塔或落井（（1~10)s的mg時間，（10e-4~10e-6）g的mg水平）、拋物線飛行的飛機（20s左右的mg時間，10e-2左右的mg水平）以及各種空間飛行器(數天~數年的mg時間，10e-4g的mg水平）。

比如美國NASA GRC的2.2s落塔和5.18s落井，德國ZARM的4.74s落塔，日本JAMIC的10s落井和MGLAB的4.5s落塔，中國科學院工程熱物理所的2s落塔,中國科學院力學研究所國家微重力實驗室的3.60s落塔;實驗飛機主要有美國的KC-135，法國的A-300，日本的MU-300等；探空火箭主要有美國的Black Brant,德國的TEXUS，日本的TR-1A等；空間飛行器主要有美國的太空梭和空間實驗室，俄羅斯已墜毀的和平號空間站（Mir）。

美國航宇局有多座用於產生微重力環境的落塔。這些落塔雖然結構各異，但產生微重力的原理都相似。世界上最長的落塔是日本人建造的，長490米，是用一座廢舊的礦井改建而成，可產10秒的低重力。這是目前在地面用落塔產生低重力的最長時間。
用飛機作拋物線飛行可產生30秒左右的低重力環境。所謂拋物線飛行是飛機先以45o角迅速爬高（稱急升段），然後改為平飛（稱平飛段），最後又以45o角下降（稱下降段）。飛機在急升段和下降段，飛行員和參加實驗的人員可受到2g加速度的作用，而在平飛段可體驗到30秒鐘的低重力環境。
用高空探測火箭也能產生幾分鐘的微重力環境。火箭發射以後，先是以高加速度向上爬升，到達一定高度後有效載荷艙與火箭分離；然後有效載荷艙作慣性飛行，這相當於一種拋物線彈道飛行；最後再入大氣層、減速和著陸。在有效載荷艙慣性飛行期間產生微重力環境。
在地球軌道上運行的太空飛行器是產生長時間微重力環境的理想工具。當太空飛行器在320千米高的軌道上運行的時候，受兩種力的作用：一種是重力，將太空飛行器往地心拽，另一種是離心力或慣性力，它由於太空飛行器繞地球運行而產生，與重力的方向相反，重力與離心力相互抵消，因而產生微重力。

微重力套用

太空材料加工

在太空材料加工方面主要套用於以下幾個方面：

1.晶體生長——包括以下三種類型：

a.熔體生長

b.汽相生長

c.溶液晶體生長

2.金屬與合金

3.複合材料

4.玻璃

燃燒與微重力

燃燒這個詞所表達的是化學反應物之間強烈放熱反應引發火焰的現象。很多時候人們通過判斷其狀況（如位置、形狀、火勢等），也有不發光的。燃燒不是化學釋能的瞬時現象，它是有許多條件和階段的過程。從反應物到生成物的過程中，包含有不同於化學反應的很多物理過程，這些物理過程控制著燃燒的發生、性質、種類、作用、熄滅和利用。具體包括反應物加熱、相變、改變氣壓、氣相混合及混合比控制等過程。這些過程的控制決定燃燒效率，產物對環境的污染程度，也是控制滅火條件的依據。鑒於全球能源 需求80%以上由燃燒方式滿足：海、陸、空、航天運輸，火電，材料加工和機器製造，生活質量保證等;減少環境污染和有效防止火災，均有賴於對燃燒的認識，故燃燒學研究重點日益轉移到物理過程研究。問題實質屬液體力學範疇，因而其力學行為可用3個無量綱數（Reynolds數、Rechardson數、Grashof數）描述；換句話說，和其他流體相仿，燃燒中的氣體流場對重力是敏感的。其中熱傳導、質量擴散、熱化學反應引起的密度變化將影響這個過程；在重力場中浮力誘發的流動，和其他流體系統相仿，常表現為不穩定因素，使過程研究複雜化。消除後者可簡化過程，這正是利用微重力環境的主要動機。分析微重力條件下產生的火焰，可了解燃燒及其擴展的細節。為防火災，軌道飛行中對燃燒的研究得到太空飛行器艙內氣壓和材料的選擇標準、滅火概念，表明了這種實驗的可行性，消除自然對流得到燃燒的明確概念和研究模式有助於對認識和利用燃燒。

生物學實驗

人類還利用太空微重力環境進行了一系列生物學實驗，主要是對生物體物質、能量循環及調節研究的生物圈研究，利用微重力促進生命進程研究及對微重力環境如何影響地球上生物機體的形成、功能與行為研究的重量生物學研究，對暴露在空間高能環境中的生物體損傷與防護研究的輻射生物學研究等。

在空間微重力條件下進行生物體組織培養，可以避免地面重力條件所造成的對流和沉澱作用，獲得比地麵條件下更好的效果。

微重力測定

對於微重力（10e-4）級別的加速度值測定，對於眾多科學實驗及航空研究非常重要，也是國家科學技術水平的重要評定因素。目前世界上頂尖的微重力加速度測定技術主要由美國，歐洲及俄羅斯等科技強國掌握並實行技術封鎖。我國對於微重力的測量技術在近10年來也有了長遠的發展，出現了KA2000，KA3000等微重力系列產品，均達到了世界領先科技水平，並成功套用到我國的眾多軍事及科研領域，但是更穩定、更精確的測量技術仍有待更多的科學工作者的努力探索與潛心研究。

實踐十號

簡介

“實踐十號衛星”是中科院空間科學先導專項中首批確定的5顆科學衛星之一，是開展微重力科學和空間生命科學研究的高效、開放、綜合性的空間實驗平台。

“實踐十號衛星”工程項目首席科學家、中科院力學所胡文瑞院士告訴記者，“實踐十號”項目包含19項科學實驗，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、重力生物效應、空間生物技術共六大領域。

實踐十號於2012年12月31日正式立項，是中國空間科學先導專項首批科學實驗衛星中唯一的返回式衛星，也是單次開展科學實驗項目最多的衛星。其科學目標是研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下物質運動及生命活動的規律，並取得創新科技成果。

作用

“實踐十號衛星”旨在利用中國成熟的返回式衛星技術，緊密圍繞有關能源、農業和健康等領域國家科技戰略目標，結合太空飛行器防火等關鍵技術需求，促進地面生物工程、新材料等高技術發展和生命科學等基礎研究取得突破，獲取一批具有國際先進水平的、具有自主智慧財產權的創新性重大科技成果。

“實踐十號”衛星分為回收艙和留軌艙，回收艙在軌運行12天后返回地球，留軌艙繼續在軌工作3天，即衛星總計設計壽命為15天。8項流體物理試驗放在留軌艙內進行，其餘11項科學試驗將在回收艙進行。

“實踐十號”衛星分為回收艙和留軌艙，回收艙在軌運行12天后返回地球，留軌艙繼續在軌工作3天，即衛星總計設計壽命為15天。8項流體物理試驗放在留軌艙內進行，其餘11項科學試驗將在回收艙進行。

發射動態

射前準備

測試中的實踐十號衛星

2016年2月24日凌晨，中國首顆微重力科學實驗衛星——“實踐十號”運抵酒泉衛星發射中心，為今年4月的發射任務進行最後的備戰。實踐十號衛星是開展微重力科學和空間生命科學研究的科學實驗衛星，由中國航天科技集團公司五院總體部抓總研製。

按照計畫，“實踐十號”將在軌道上利用太空中微重力等特殊環境，在短短15天的太空飛行中，完成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、重力生物效應、空間生物技術等六大領域的19項實驗。之後，衛星再把實驗樣品帶回地球，為微重力環境及複雜輻射環境中物質運動規律的研究提供依據。“實踐十號”就是太空中臨時搭建的一個實驗室。

要把這樣一個精密的實驗室長途運輸送往發射場，整個過程都需要控制溫度和濕度，並保證平穩和安全。工作人員一絲不苟地進行裝箱前的準備，確保每一個環節都萬無一失。

據中國航天科技集團五院實踐十號衛星副總設計師李春華介紹，實踐十號衛星研製成功，將為中國開發出一個專門用於微重力科學和生命科學的實驗平台，使國家的空間微重力研究有了新的技術手段。

目前，全世界的科學家們都在嘗試通過各種方式營造微重力環境開展研究，比如“拋物線飛機”、“探空火箭”等實驗平台可以提供幾分鐘甚至更短的微重力環境，但想要進行更長時間的研究，就必須運用實踐十號這樣的科學實驗衛星。

和普通衛星不同，“實踐十號”還是一顆返回式衛星，它獨有的返回艙將在完成實驗任務後回到地面，將太空中的實驗成果帶回地面。

中國的衛星返回技術相對成熟，至今成功發射並回收的衛星已經達到24顆。但因為要進行獨特的微重力實驗，作為中國將要發射的第25顆返回式衛星，“實踐十號”相比以往的返回式衛星，進行了大量的適應性創新設計。

李春華說：“這顆衛星的形狀跟其他衛星相比是非常獨特的，主要是在發射過程中不需要整流罩，衛星的星體就承擔了整流罩的作用。由於飛行時間短，衛星主要採用的是化學電池，而沒有採用常見的太陽能帆板供電方式，所以衛星形狀就類似於‘彈頭’。”

衛星的研製過程中，要解決多實驗載荷在太空協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，因此科研人員對衛星的發射階段、在軌運行階段和返回階段的溫度都進行了嚴格控制。

成功發射

2016年4月6日1時38分，中國首顆微重力科學實驗衛星——實踐十號返回式科學實驗衛星，在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭發射升空，進入預定軌道。

據了解，該衛星將展開6大領域、19項實驗，這也是中國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空間任務。

成功返回

順利完成12天太空飛行後，我國首顆微重力科學實驗衛星——實踐十號返回式衛星回收艙，2016年4月18日16時30分準確降落在內蒙古四子王旗預定著陸區域。這不僅標誌著我國返回式衛星迎來第二個春天，實踐十號也成為我國首顆在四子王旗採用彈道式回收的返回式衛星。

成果

實踐十號衛星的成功返回，帶來了來自太空的生命繁衍跡象。

發射前四小時

在實踐十號回收艙中，有著6000餘枚小鼠胚胎，專門用於發育實驗的有幾百枚胚胎。在實踐十號任務中，總共有9項生命科學實驗，負責整個系統統籌的是段恩奎。

這些實驗對象乘著實踐十號衛星回收艙，降落在內蒙古四子王旗草原上。進一步的觀察顯示，小鼠胚胎在太空中完成了從二細胞到囊胚的發育，中國已經在太空實現了哺乳動物胚胎的發育。而這，在世界上是第一次，改寫了人類科學史。預示著包括人類在內的哺乳動物，其生命有望在太空中得以延續。

國家微重力實驗室

定位

國家微重力實驗室將繼續以國家重大需求為目標，以積極推進微重力科學與套用研究、促進我國空間科學發展為已任，進一步加強科研、隊伍和基礎設施的建設，提高實驗室的整體科研水平和運行管理水平，使之成為對國內外開放的、國際上一流的微重力研究中心，為國家載人航天工程和空間科學研究做出貢獻。

概況

二十世紀九十年代初，為適應我國空間科學發展的需要、發展我國載人航天工程及相關科學研究事業，國家863計畫第一屆航天領域專家委員會決定組建國家微重力實驗室和國家計算流體力學實驗室。1994年原國防科工委(現總裝備部)原則批准在中國科學院建立“國家微重力實驗室”(National Microgravity Laboratory)。1995年正式批文、在中國科學院建立“國家微重力實驗室”。1998年國家微重力實驗室實驗樓建成，國外購置設備和國內自行研製設備相繼通過驗收。2003年4月總裝備部對國家微重力實驗室進行了全面驗收，實驗室工作進入正常運轉。

中國科學院力學研究所國家微重力實驗室落塔

國家微重力實驗室現已成為我國微重力科學研究的核心實驗室，為國家載人航天工程做出了重大貢獻，獲得集體和個人兩項國家科技進步特等獎；參加和組織我國微重力科學的學科發展論證；負責組織並完成實踐8號衛星留軌艙系統的微重力科學實驗，取得一批重要學術成果；正在負責實踐10號科學實驗衛星載荷總體和科學研究總體、國家載人航天工程二期套用系統流體物理分系統的工作。鑒於其突出工作業績，國家微重力實驗室獲2005年國家人事部和中國科學院聯合頒發的先進集體獎，為發展我國微重力科學做出了不可替代的貢獻。在學術上進行創新性研究的同時，國家微重力實驗室積極參與國際微重力科學活動、開展卓有成效的國際合作與交流，是國際上有重要影響的微重力科學研究中心和用戶支持中心。

作為微重力科學研究中心，國家微重力實驗室目前的研究領域涉及微重力科學的主要方向，包括微重力流體物理(簡單流體的運動、多相流和複雜流體)，微重力燃燒科學(燃燒機理和空間站防火)，空間材料科學(凝固過程、晶體生長和模型化研究)，空間生物技術與生命科學(生物力學、細胞-分子生物學和納米生物技術)，在流體物理、燃燒、生物力學和先進診斷技術，以及與材料科學和生命科學的交叉與融合等領域開展了有特色的創新性研究工作，2000-2007年期間已在重要學術刊物發表論文374篇，出版專著(章節)12部。同時，國家微重力實驗室還與國內基礎物理界同行合作，努力促進我國空間基礎物理的發展。國家微重力實驗室近年來承擔了多項國家重大項目，已完成國家載人航天工程、科學實驗衛星等空間實驗項目11項，並承擔中國科學院知識創新工程和大型裝備等項目20餘項、國家自然科學基金重點和面上項目20餘項以及其它研究項目5項，項目經費合計約1.4億元。在國家重大需求層面，“十一∙五”期間國家微重力實驗室已有5項空間實驗列入國家載人航天工程(第二期)、7項空間實驗列入實踐10號衛星計畫、2項空間實驗列入中俄合作利用國際空間站俄國艙的有人操作實驗計畫、3項空間實驗列入微重力火箭計畫。

國家微重力實驗室現有固定資產7585萬元，引進和自行研製了儀器設備百餘台(套)，具備較完善的開展微重力科學地基研究的實驗體系，包括開展微重力流體物理研究的流體動力學、分散體系、光學診斷和測試、三維顯微粒子圖象測速等實驗系統；開展微重力熱科學研究的兩相流、微重力燃燒等實驗系統；開展空間材料科學研究的半導體晶體、氣相外延、金屬合金成核過冷、非透明介質、透明晶體生長等實驗系統；開展生物力學和空間生物技術研究的蛋白質晶體生長、空間細胞生長和組織培養、連續流電泳、微管吸吮、雷射顯微光鑷、原子力顯微等實驗系統；以及開展納米生物技術研究的光學橢偏成像系統等，共同組成了國家微重力實驗室的研究平台。作為微重力科學用戶支持中心，國家微重力實驗室建成了可進行短時微重力地面實驗的百米落塔設施，其中落艙系統的微重力時間為3.5 s、微重力水平可達10-5×g量級，落管系統的微重力時間為3.26 s，微重力水平優於10-6×g, 可為用戶提供各種技術支持和服務。