微重力科學

微重力環境為科學研究提供了新的領域和途徑。隨著航天技術的發展，微重力科學與套用已成為高科技發展中的一個嶄新領域，受到工業化國家的高度重視。微重力科學主要由流體力學、材料科學和生物技術三大部分組成。

在空間，重力作用大大減弱，基本上消除了沉降、浮力對流和靜壓梯度。許多地面上被掩蓋的本徵過程，如傳熱和傳質等可以得到澄清，對推動材料科學和生物技術的發展起到了重要作用。

基本介紹

• 中文名：微重力科學
• 外文名：Microgravity science
• 組成：流體力學、材料科學和生物技術

微重力科學發展歷程

微重力科學和套用研究走過了比較平靜的幾年。在國際上，以美國、俄羅斯、歐洲的主要國家以及日本等國參與建設的國際空間站，尤其是用於微重力科學研究的主要設備和空間實驗艙的組建工作已經接近完成，國際上缺少其他空間實驗平台開展微重力科學實驗機會。我國微重力科學研究正在進行長期的科學發展規劃，地基研究和衛星科學搭載實驗獲得了積極進展，也為後續的研究奠定了良好的基礎。

國際微重力科學發展歷程

由於微重力科學具有的重大學術意義和套用價值，吸引了一批科學家匯聚到這一領域，使其在國際微重力科學前沿十分活躍。美、俄、德、法、日本等國投人大量人力、物力及財力來支持和推動微重力科學的發展。近30年來在載人飛船、空間站和太空梭上進行了許多實驗，並獲得了一些重要的成果。20世紀80年代後期，這些科技已開發國家越來越重視微重力科學基礎研究工作。與材料加工和生物製備過程密切相關的流體物理基本規律研究也備受重視，在材料製備的定量化和模型化研究方面取得重要進展。90年代後期，隨著國際空間站的建設，美國NASA、歐洲ESA、日本NASDA等空間站的主要參加國紛紛制定了在軌道上的研究戰略計畫，研究領域主要集中在微重力流體物理及其相關的燃燒學、材料科學以及生物技術等前沿領域，研究計畫將一直持續到2020年。隨著國際空間站的日益建成和運行，在美國NASA的2002年計畫中，立項支持微重力科學項目624個，其中空間實驗項目105個。上述計畫包括ESA等國的空間實驗研究將於2007～2010年陸續開始。此外，國際微重力流體物理科學界經過長期的探索和發展，形成了明確的長期研究目標：利用空間微重力環境在物理、化學和生物科學等自然現象的研究上獲得新的認識；另一方面轉移空間研究的關鍵技術，改進地球上的工業和商業活動，促進地基高科技的發展。微重力流體物理的研究越來越受到世界各空間大國，甚至包括巴西、印度等開發中國家的高度重視，同時也是國際空間站今後的主要研究內容之一，預計其科學研究在2010一2020年問取得豐碩成果。在此基礎上，近來歐、美國空間強國還同時強調進行微重力流體物理的套用開發研究，促進地面的許多套用效益，並為載人航天技術和工程需要服務。

國際上對發展空間微重力研究十分重視，美、歐、日等國都注人大量的資金、人力。NASA在克里夫蘭的美國西儲堡大學和NASA的Glenn研究中心聯合成立了國家微重力研究中心，主要從事微重力流體物理和燃燒研究。德國布來梅的ZARM建立了150米落塔，主要從事微重力流體物理和燃燒的研究。義大利的MARS中心和比利時的微重力研究中心主要從事微重力流體物理的研究。除這些國家級的研究中心外，還有一批學校內的微重力流體物理和燃燒的研究集體。這些研究集體在各國空間局的支持下，正在促進相應的研究，如國際空間站(ISS)載有由美國Glenn研究中心研製的流體科學綜合櫃架、日本NASDA的流體物理實驗設施。ISS還搭載歐空局(ESA)研製的流體科學實驗室。從ISS搭載的這些流體物理研究設施可見，國際微重力流體物理研究勢頭強勁，流體物理研究一直是並繼續是國際微重力科學研究的重要內容。在2002財政年度中，NASA共批准流體物理研究148項，其中空間實驗29項，微重力燃燒104項，空間實驗23項。最近，NASA的生物與物理研究優先化論證工作組(ReMAP)認為，在國際空間站的利用中應該最先發展微重力物理研究，包括凝聚態物質、基本定律、相變、流體動力學與穩定性、細胞生物學等。國際空間站是人類開發和探索空間的一個重大步驟，它將為微重力空間科學實驗提供一個重要平台，並促進微重力科學研究在2010—2020年間取得豐碩成果。在此基礎上，近來歐、美國空間局還同時強調進行微重力的套用開發研究，促進地面的許多套用效益，並為載人航天技術和工程需要服務。

近年來，國際空間站正在加緊組建，空問站實驗項目的研究和安排正抓緊進行。微重力研究的發展趨勢同時強調基礎研究和套用開發研究。近些年來，微重力流體力學除了強調傳統的對流和擴散過程的研究之外，還發展了多相流和複雜流體的流體動力學過程的研究。這些研究具有理論上的重要意義，將促進流體力學的新體系、界面過程、相變過程、傳熱和傳質過程、膠體科學、軟物質科學等學科的進展。例如，在膠態晶體生長研究方面，國外已經開展了空問實驗，並準備利用國際空間站進行更多的實驗。美國、歐洲、日本都在這方面組織安排、實施了許多研究計畫並取得了進展。NASA(美國國家航空航天局)特別在國際空間站安排了耗資巨大的長遠研究任務。哈佛和普雷斯頓大學的科舉家．利用率問實驗，已對硬球膠體晶體的研究方面取得了初步成果。

我國微重力科學發展歷程

我國微重力科學界白2003年10月我國首次載人航天飛行取得圓滿成功後，先後在“神舟2號”至“神舟4號”飛船上進行了包括空間生物技術、空間材料和微重力流體物理等方面的微重力科學搭載實驗，獲得了大量科研成果。中國科學院空間科學與套用中心、中國科學院光電研究院、力學研究所、上海矽酸鹽所、物理所、半導體所、動物所和相關高校等是參與我國載人航天工程微重力科學空間實驗研究的主要部門，承擔並圓滿完成了空間實驗研究任務，推動了我國微重力科學實驗研究水平的進一步發展。2004年年初多個單位和個人分別獲得國務院頒發的“中國載人航天工程”獲國家科技進步獎特等獎和國家授予的“中國載人航天工程”突出貢獻者獎章，以及中國科學院表彰的載人航天工程突出貢獻者和優秀工作者等榮譽。2004年之後隨著我國載人航天工程一期的逐漸收尾，空間微重力實驗計畫轉入二期，我國的微重力實驗機會主要轉向利用我國的實驗衛星和國際合作平台，以彌補我國微重力空間實驗機會的減少。總之，空間實驗項目相對減少、實驗手段多樣化和微重力科學界的國際合作是2004—2008年間國內外微重力科學發展的新趨勢和特點。

近幾年以來，我國微重力研究深入總結了前期在“神州”系列飛船上完成的空間細胞培養實驗和空間蛋白質晶體生長實驗、多樣品空間晶體生長材料實驗和微重力液滴熱毛細遷移流體物理空間實驗等多項研究成果，並於2005年10月在日本佐賀縣武雄市召開的“第六屆日中微重力科學研討會”雙邊會議上進行了介紹。2005年8月在我國第22顆返回式科學與技術實驗衛星上成功進行了空間細胞培養實驗、過冷池沸騰實驗、氣泡熱毛細遷移實驗和空間接觸角測量四項空間搭載實驗，實驗依託公用控制平台及圖像記錄儀等組成的衛星搭載分系統，與衛星熱控、遙測、遙控等分系統相連線，實現了預定的空間科學實驗目標。2006年9月9日搭載我國“實踐8號”育種衛星進行了涉及微重力流體物理，空間基礎物理，微重力燃燒和生命科學與生物技術的九項空間實驗。該項目將育種衛星的留軌艙作為一個微重力實驗平台，利用遙科學技術進行了一批不需要樣品回收的微重力實驗，發展了我國的衛星微重力平台及相關技術，並為我國未來的微重力科學實驗衛星進行了良好的初期探索。

微重力流體物理是微重力科學的基礎，主要開展有關套用基礎研究，諸如液橋熱毛細對流及穩定性、二層流體的對流、氣/液界面動力學、液滴/氣泡熱毛細遷移、潤濕性、潤濕角等以材料製備、流體管理及燃燒為背景的基礎性研究。同時開展材料製備過程模型化、晶體材料生長機理以及細胞與組織培養的流體物理問題等與材料科學和生物技術交叉的學科研究。近幾年又拓展了在微重力兩相流、微重力燃燒及複雜流體動力學方面的研究領域，對二相流流型、壓降、傳熱、沸騰、分散體系聚集行為、穩定性及複雜流變體系等開展了研究，在地基研究及空間實驗方面取得多項成果。

我國微重力科學研究目標

1．“十一五”期間(2006—2010年)

組織“實踐10號”返回式空間科學實驗衛星，進行微重力科學和空間生物技術的實驗研究。

2．“十二五”期間(2011—2015年)

利用科學實驗衛星、“神舟”飛船、落塔、拋物飛行以及國際合作等多種渠道開展微重力科學實驗與生物技術的研究，進行空間基礎物理的近距離非牛頓引力實驗檢驗和冷原子鐘的研製。

3．“十三五”期間(2016—2020年)

以我國空間實驗室(空間站)為技術依託，開展長期的微重力科學與生物技術研究，初步建立我國的微重力科學空間實驗平台。

我國微重力科學發展計畫

微重力流體物理研究

1、開展微重力流體力學基礎理論研究：

1)研究熱毛細對流及穩定性，熱毛細氣泡、液滴動力學等；

2)研究空間材料流體生長中的凝固界面過程和微流動、泡沫物理等；

3)研究流體熱、質傳輸的soret效應和Dufour效應。

2、微重力工程流體力學研究：

1)研究具有熱、質交換的相變界面過程，如空間微重力環境下蒸發與冷凝、熱管和毛細泵、沸騰傳熱等相變界面的熱、質傳輸規律；

2)研究空間流體相關的毛細現象和流體界面浸潤(接觸角)現象，包括流體與多孔介質特性；低溫推進劑的空間儲存與管理；空間焊接工藝等；

3)研究空間熱流體及其熱管理基本規律，包括微重力兩相流動現象，沸騰傳熱規律，空間氣/液分離技術等。

3、複雜流體和顆粒介質研究：

1)研究膠體晶體以及液晶相變過程、膠體聚集過程以及與聚集有關的分維結構、流變特性以及它們與聚集和相變過程之間的關係和相互影響；

2)研究以月壤表面環境為代表的弱重力場中顆粒物質的運動行為與應力傳播規律，開展顆粒氣態動力學以及稠密顆粒體系靜力學方面研究。

4、開展低重力環境(月球、火)流體流動特徵規律和流體管理研究，如結冰、顆粒與灰塵、蒸發與冷凝、多相流等。

微重力燃燒研究

在燃燒基礎研究方面選取對我國能源和環境發展可能產生重大影響的科學問題，重點開展以下實驗研究：

①液霧燃燒和污染物形成過程；

②固體燃料燃燒特性和粉塵燃燒；

③碳黑生成機理；

④湍流燃燒。

在太空飛行器防火安全方面針對空間環境中火災發生和發展的特點以及我國載人航天工程發展的戰略需要，優先開展以下研究：

①太空飛行器用非金屬材料的燃燒特性；

②材料燜燒機理；

③火災的早期信號特徵和探測器回響；

④火災產物遷移特性；

⑤水霧滅火機理；

⑥月球表面等低重力環境中的防火安全問題。

空間材料科學研究

(1)研製專門用於空間材料科學研究的模組、實驗艙乃至專門的空間材料科學實驗室。

(2)研發更多的適於空間套用的材料科學研究設備。通過小型化、集成化、輕質化的努力，從設備層面上拓展空間材料科學的研究機會與研究範圍。逐步實現對實驗體系的電磁場載入，實驗過程的實時觀測，氣體和液體的管理，大溫區內的精確溫度控制，人工干預實驗過程等攸關空間材料科學研究深度與廣度的能力建設。

(3)開展界面與相分離現象、液體物理、流變行為、熔化凝固現象，(帶電)固體顆粒流及粉塵的運動規律，過冷與玻璃態行為，量子相變等科學問題的研究；進行膠體與流變液、量子物質、無機一有機一生命雜化結構、金屬泡沫結構等具有重要學術價值和廣泛用途的材料或材料結構研究。

空間基礎物理實驗

(1)尋找可能影響質心運動的巨觀物體自旋與地球引力場之間的新型相互作用力。

(2)在微米的作用力程檢驗對牛頓引力反平方定律的可能偏離。通過在穩定的微重力衛星平台上開展近距離非牛頓引力實驗進行檢驗，並進一步提高實驗精度。

(3)開展基於冷原子物理的空間基礎物理研究。在空間冷原子鐘研製的基礎上，測量地球引力的時間膨脹效應、基本物理常數的時空變化測量；開展空間冷原子干涉儀的研究、空間玻色一愛因斯坦凝聚和費米子凝聚的研究、基於冷原子物理的各類新型探測器研究。

微重力科學研究意義

沒有重力作用時，不僅液滴滴不出，懸浮物也不下沉，此時表面張力對液體起主要作用。微重力環境最吸引人的地方是液體和氣體中的效應，如熱對流的消失、液體不再使用容器等。這對擴散現象和原子輸運實驗減少了干擾，從而能夠更準確地檢驗理論，設計新的實驗。對整體輸運、材料的結晶、成核以及過冷研究也帶來了新的可能。總之，從地面常重力到空間微重力發生了環境參數變化和場的變化。

從微觀方面看，在原子分子水平上，重力與它們之間的靜電力相比可以忽略不計。甚至非極性分子之問的電分子中起伏的偶極矩在另一分子中感生了偶極矩，從而產生的相互作用的范德瓦爾斯力也小得多。但對於一個臨界系統，其它力將近平衡的關節點上，只需要較小的力就可以影響發展方向時，或者分子集合增大到重力梯度可與同等的分子力相比時，重力作用就顯現出來。作為物理學範疇的臨界現象研究，近些年發展很快，微重力可以消除液體臨界點靜壓力影響，阻止相分離過程中發生沉澱和對流，將有助於臨界現象的實驗和找出普遍規律。

本世紀50年代，隨著空間技術的迅猛發展，失重研究特別是燃料管理系統和其它液體系統的設計，成為重要問題。在空間飛行器溫控系統的發展中，利用相變材料存儲熱量的實驗和研究，提出了失重情況下的材料凝固的某些問題。空間軌道飛行中的焊接和金屬熔解問題，牽涉到在表面張力占支配地位的液態金屬的流動研究。80年代太空梭出現及空間站的設立，不僅可進行科學實驗。還實現了小批量生產。總之，微重力科學套用的巨大潛在經濟利益使它成為投資目標，作為一種資源進行開發。

相關實驗

2006年，我國微重力科學工作者利用育種衛星“實踐8號”留軌艙微重力平台搭載了九項實驗：“高等植物生長發育實驗”、“細胞胚胎髮育實驗”、“星載加速度計實驗”、“池沸騰傳熱實驗”、“微重力環境物質傳質過程研究”、“顆粒物質運動行為實驗”、“導線著火前期特性”、“熱毛細對流表面位形及體積效應實驗”和“材料燜燒實驗”。

科學實驗系統搭載“實踐8號”衛星於2006年9月9日升空進行在軌空間實驗，衛星返回艙於9月24日回收，之後在衛星留軌艙中繼續進行了3天科學實驗，全部空間實驗於9月28日結束。微重力搭載實驗服務系統工作正常，所有在軌實驗按飛控計畫完成。在軌下傳與記錄的工程參數和科學數據正常，圖像清晰，微重力搭載實驗系統完成了從設備研製到在軌飛行實驗結束整個過程的研製和實驗任務。