在太空中搭建的临时实验室我国首颗微重力科学实验卫星实践-10凯旋

宗河/文 祁首冰/本文编辑



在太空中搭建的临时实验室我国首颗微重力科学实验卫星实践-10凯旋

北京时间2016年4月6日01：38，我国首颗微重力科学实验卫星—实践-10从酒泉卫星发射中心升空。它是空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一一颗返回式卫星，也是单次搭载空间实验项目最多的卫星，专门用于微重力科学和空间生命科学的空间实验研究。该星回收舱于4月18日按计划返回地面，仪器舱工作到4月21日。

1　总体概述

目前，不少国家的科学家们都想利用多种方式打造微重力环境开展研究，比如抛物线飞机、探空火箭、宇宙飞船和空间站等实验平台，但它们有的只能提供几分钟甚至更短的微重力环境，有的则价格昂贵，带回样品比较有限，周期也较长， 这对空间生命科学等一些短周期科学实验有较大限制，要想进行周期和价格都合适的微重力研究，返回式卫星是一个很好的选择。返回式卫星运行周期短，适合开展短周期的空间科学实验。这种卫星技术现已比较成熟，且比较便宜。其外形类似于弹头，所以发射时不需要整流罩，卫星的星体就承担了整流罩的作用。

实践-10是目前我国科学卫星系列中唯一的返回式卫星，也是我国开发出的一种专门用于开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台，使我国的空间微重力研究有了新的技术手段。它利用我国成熟的返回式卫星技术，紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标，结合航天器防火等关键技术需求，促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破，获取具有国际先进水平和自主知识产权的创新性重大科技成果，对于推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。这个在太空中临时搭建的实验室工作寿命15天，这与电池的电量有关。该卫星没有安装太阳电池翼，以免产生振动而影响科学实验。

其主要任务是充分利用卫星返回舱和留轨的仪器舱，结合“促进我国空间微重力科学和空间生命科学发展”这一国家科技战略目标，开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术六大领域的19项空间科学实验，其中有11项回收，从而得到第一手数据。该卫星回收舱把实验样品带回地球后，用于开展微重力环境及复杂辐射环境中物质运动规律的研究，而留轨的仪器舱继续工作3天。这是我国第一次进行如此大规模的微重力和空间生命科学实验，其中的关键问题是要解决多实验载荷在太空协同工作且互不影响的问题，特别是生命科学项目对整个实验过程中的温度要求非常高。

其科学目标是：开展空间科学实验，研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律，取得创新科技成果。它开展三方面科研：一是用于研究对流、相变传热的内在机理及动力学过程和不稳定性；验证类分子气液相分离理论；研究纯熵驱有序相形成和演化过程，探索裂纹形核、液晶相形成和金属纳米粒子自组装机制；研究多组分介质的交叉扩散规律；揭示微重力下着火、燃烧、污染物生成的规律。二是在空间制备新型的半导体晶体、金属合金及复合材料，揭示晶体生长过程中掺杂原子的选择性占位规律和合金组织形态形成与演化机制，深入理解材料从熔体中形成的界面动力学过程并发展相关理论。三是研究生命体对微重力的感受、传导、响应机理及其功能调控的机制，探索细胞、胚胎和组织对微重力的响应机制，揭示生物的空间辐射损伤及遗传变异机制。

其工程目标是：研制一颗返回式空间科学实验卫星，通过卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面支撑系统和科学应用系统协调工作，完成多项科学研究空间实验任务，实现科学实验样品的回收和科学数据的下传。

实践-10的总质量约为3600kg，搭载了600多千克科学载荷，运行在高约252km、倾角43°的圆轨道，在轨飞行15天，星上微重力水平优于1×10-3gn。卫星由有效载荷、结构、热控、控制、推进、供配电、测控、天线、数管、工程参数测量和回收共11个分系统组成。卫星整体为柱锥组合体形状，分为返回舱和仪器舱两个舱段，其中仪器舱包括服务舱和密封舱，返回舱包括回收舱和制动舱。回收舱在完成任务后再入大气软着陆并回收。

2　实验项目

实践-10的有效载荷分系统由19个科学实验装置和载荷支持子系统（包括载荷管理器和数传发射机等）组成，科学实验装置在载荷支持子系统的控制下开展空间科学实验，接收和传输科学实验数据，实现科学目标。

在卫星搭载的19项科学实验项目中，有10项微重力科学实验项目，9项空间生命科学实验项目，是迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的卫星空间科学实验研究，每一项都具有很强的科学研究价值。

微重力科学空间实验

（1） 蒸发与流体界面效应空间实验研究

此实验观测液滴蒸发过程中的热流量、液滴形貌和接触角变化，获得液滴的平均蒸发速率。它是利用太空微重力环境研究具有蒸发相变界面的热质传输特性，观测蒸发液滴的表面蒸发传热过程与表面张力驱动对流的相互作用规律，为相关空间两相系统的应用与开发提供新理论。

蒸发与流体界面效应空间实验研究装置（蒸发对流箱）

（2）颗粒流体气液相分离空间实验研究

此实验观测在多种振动参数和体系颗粒数密度等条件下，颗粒在两仓或三仓中的运动行为、团簇的形成与分布情况。它是利用太空微重力环境实现颗粒流体气液相分离实验，检验颗粒气体的类分子气液相分离理论，完善颗粒气体团簇形成机理的模型；在微重力环境中实现颗粒分仓聚集，获得空间颗粒物质输运的方法，建立相关理论依据。

颗粒流体气液相分离振动实验装置（颗粒物质箱）

（3）微重力沸腾过程中的汽泡动力学特征研究

此实验通过局部过热实现微重力沸腾汽泡生成时刻与位置的时空精确定位，进而对微重力池沸腾现象中汽泡生长过程的热动力学特征进行细致观测，认识生长汽泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征，揭示汽泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制，理解沸腾传热的内在机理。它是利用太空微重力环境进行沸腾过程中的汽泡动力学特征研究，获得微重力单汽泡池沸腾过程中汽泡动力学特征及传热特性数据，加深对沸腾现象中汽泡形成-成长-脱落过程、液-汽-固相互作用等局部流动与传热现象及其规律的认识，促进学科发展，服务于我国相关空间技术研发。

沸腾汽泡动力学实验装置（沸腾汽泡箱）

（4）热毛细对流表面波空间实验载荷初步方案

此实验通过改变注液量形成不同流体界面形态，观测流体表面温度分布、温度振荡及表面形变等多物理参量变化及演变过程。它是利用太空微重力环境进行热毛细对流表面波的空间实验，建立环形（圆柱形）液池热毛细对流空间实验系统，研究环形体系热毛细流动的失稳规律和转捩途径，首次开展体积效应问题研究，深刻理解热毛细对流的不稳定性和振荡机理。

热毛细对流表面波空间实验装置（毛细对流箱）

（5）胶体有序排列及新型材料研究载荷初步方案

此实验观察微重力下胶体粒子、聚苯乙烯微球以及金纳米颗粒包覆聚苯乙烯微球的自组装动力学过程，以及微重力下液晶相变过程。它是在太空微重力环境中利用典型胶体体系研究纯熵驱有序相形成和演化过程，获得结构形成和动态演化信息，探索液晶相形成、胶体微球以及金属纳米粒子包覆胶体颗粒自组装机制。

胶体有序排列及新型材料研究装置（胶体材料箱）

（6）石油组分的索里特系数测量

此实验建立有温度梯度而无浮力对流条件下的热扩散过程，获得相应的索里特（Soret）系数。它是利用太空微重力环境获得包括中国石油样品在内的石油不同组分的索里特系数的精确数据，帮助预测油田中石油组分分布和油气界面位置，进而指导石油的开采；进一步认识多组分与两组分热扩散规律差异的产生机制。

石油组分的索里特系数测量装置（索里特实验箱）导线绝缘层着火特性研究实验装置（导线特性箱）

（7）导线绝缘层着火特性实验载荷初步方案

此实验分别在3种电流大小、3种绝缘层厚度和3种绝缘层材料下，以及导线自身电流过载时，观测绝缘层着火先期征兆、着火前期烟的析出特性和析出的烟气在有限密闭空间中的分布。它利用太空微重力环境阐明微重力环境下典型非金属材料导线绝缘层的火灾先期征兆及着火早期烟气析出及分布规律，建立准确预测微重力下典型非金属材料火灾早期征兆的数学模型，阐明微重力下火灾发生、演变机理及其产物的分布规律。

石油组分的索里特系数测量装置（索里特实验箱）导线绝缘层着火特性研究实验装置（导线特性箱）

（8）微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究载荷初步方案

此实验观测测量不同炉温、不同煤种、不同粒径和环境气体成分条件下，单个球形煤颗粒和煤粉颗粒群的燃烧全过程，包括热解、挥发分释放、着火及火焰形状、燃尽等过程，测量着火温度、着火时间、挥发分燃烧时间、燃尽时间等，观测颗粒表面的气体密度变化以及火焰传播速度和污染物排放等。它利用太空微重力环境揭示我国典型煤种的单个颗粒和煤粉颗粒群在流动解耦、传热传质各向同性理想状态下的着火、燃烧和污染物生成的基本规律，准确获得地面无法得到的一些基础数据，发展更完善的煤燃烧理论和模型。

微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究实验装置（煤燃烧箱）

（9）典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究

此实验依次对实验样品进行着火和火焰传播实验。对试样进行加热和点燃，测量试样点燃和火焰传播燃烧过程中的温度变化数据，获得试样点燃和火焰传播燃烧过程中的图像。它利用太空微重力环境揭示热厚非金属材料在微重力条件下的着火和燃烧特性，认识环境流动、氧气浓度和材料形状等主要因素对火焰传播的影响规律，并建立材料着火及火焰传播、演化的理论和模型。

非金属材料着火和燃烧特性实验装置（非金属燃烧箱）

（10）空间材料生长研究

此实验完成微重力条件下熔体材料生长实验任务；提供材料实验所需的高温温场环境，实现多样品的转位换位、提拉生长、高温温度的精确控制功能；完成6个工位（8项样品）的空间材料生长实验。它利用太空微重力环境研究微重力环境下晶体生长和凝固过程，理解材料从熔体中形成的界面动力学，为改善地面晶体生长工艺奠定基础。通过微重力环境抑制熔质对流，可获得地面重力场中难以生长的高质量材料，服务国家战略需求与发展。

用于进行空间材料生长研究的空间多功能材料合成炉（多功能炉）

空间生命科学空间实验

（1）辐射生物学试验载荷初步方案

此实验综合测量水稻等模式生物材料经历的空间粒子辐射，评估生物个体接受空间辐射的品质。它利用太空微重力环境研究评估生物接受空间辐射的品质，及其与对应的辐射损伤和遗传变异的关联；挖掘空间辐射与微重力协同的生物学效应机制；挖掘空间辐射敏感性功能基因的调控网络对生物学功能的影响；分析空间辐射环境引起基因组不稳定的机理。

辐射生物学实验仪（生物辐射盒）

（2）空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究

此实验完成小鼠细胞、果蝇等生物样品在轨培养实验；测量生物样品所经历的空间粒子辐射。它利用太空微重力环境通过研究野生型和辐射敏感的动物细胞和果蝇模型，定量研究空间辐射对基因组稳定性改变的效应；寻找新的空间辐射敏感标志生物分子，从而为太空辐射的风险和防护研究提供新的基础数据和检测手段。

空间辐射对基因组的作用和遗传效应实验装置（辐射基因盒）

（3）空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究

此实验完成家蚕生物样品在轨培养实验。它利用太空微重力环境开展家蚕发育、基因和蛋白质表达等方面的研究，在理论上阐明空间环境中家蚕突变产生频率和机理，行为改变程度，在技术上建立空间与地面相结合的实验体系，验证理论研究，新品种开发和相关机理。

空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究装置（家蚕培养箱）

（4）微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究

微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究装置（植物培养箱）

此实验完成植物细胞生物样品在轨培养实验。它利用太空微重力环境深入了解介导微重力引发植物生物学效应的机理，显示平衡石是否介导微重力信号产生微重力效应；验证植物激素在介导微重力信号产生微重力效应中的作用；认识微重力对植物细胞分裂和周期、糖代谢及细胞壁木质素代谢所产生的影响及其过程。

（5）微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究

此实验完成骨组织细胞生物样品在设定物质输运条件下的在轨培养实验。它利用太空微重力环境通过定量控制微重力环境下的物质传输条件，认识微重力下细胞代谢、结构重组及增殖与分化对物质传输条件依赖的规律，为定量认识重力变化影响细胞生理的内在机制提供依据，力求解决空间细胞生物学实验的技术瓶颈问题。

微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究实验装置（物质输运箱）

（6）空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花研究

此实验完成水稻、拟南芥植物样品在轨培养实验。它利用太空微重力环境，了解并初步阐明微重力对长日与短日植物光周期诱导开花的影响及其分子机理，形成新的学术思想，为农业生产上作物栽培和品质选育提供理论基础；同时，应用于载人航天受控生命生态支持系统的设计，并为空间植物培养提供理论依据。

空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花研究装置（高等植物箱）

（7）微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究

此实验完成造血与神经干细胞样品在轨培养实验。它利用太空微重力环境首次开展微重力条件下造血与神经干细胞三维培养研究，揭示微重力下细胞三维生长的基本规律及其对自我更新、分化与功能的影响，探索解决目前干细胞非分化性增殖、高效定向分化、三维组织构建等世界性难题的新途径。

微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究装置（干细胞箱）

（8）微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究

此实验完成小鼠胚胎样品在轨培养实验。它利用太空微重力环境，以小鼠早期胚胎为研究对象，通过研究太空环境对哺乳动物早期胚胎生长发育的影响，揭示空间环境条件下动物早期生命活动规律，为未来长期太空飞行中保障人类生殖发育健康提供科学依据。

微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究装置（胚胎培养箱）

（9）空间骨细胞定向分化效应研究

此实验完成骨髓间充质干细胞样品在轨分化培养实验。它利用太空微重力环境研究微重力环境下人骨髓间充质干细胞向骨细胞分化的潜能；认识微重力环境对人骨髓间充质干细胞定向分化骨细胞影响的Ras/ERK/Runx2信号通路及细胞信号分子PI3K在调节分化效应中的关键作用。

空间骨细胞定向分化效应实验装置（骨髓培养箱）

3　科学应用

实践-10卫星科学应用系统由空间实验运控中心以及空间科学实验项目组成。其主要任务是：审定空间实验项目的科学目标和研究内容的调整，确定空间实验技术方案，及时进行空间在轨科学实验下传结果分析判断，并提出空间实验任务计划调整方案；开展空间实验地基相关研究，涉及各有效载荷的空间实验环境匹配研究、样品与载荷的相容性试验研究、空间实验关键技术研究、地基对比实验及地基参比实验等；对空间实验材料及生物样品进行处理和分析，对空间实验数据进行处理和分析，形成高级数据产品；根据获得的空间实验数据以及回收的材料和样品，分析各种空间因素以及实验条件和环境对物理过程的影响，给出初步研究结论，深入开展相关的理论和实验分析研究，得到正确的科学结论，达到实践-10卫星工程预定的科学目标。

热毛细对流地面匹配实验

宗河/文 祁首冰/本文编辑

China's First Microgravity Scientific Experiment Satellite SJ-10 Returns Successfully