太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)利用太空的特殊環(huán)境和資源，進(jìn)行地面難以進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)， 可獲取新的知識(shí)和技術(shù)，促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，提高人們 的生活質(zhì)量。太空的特殊環(huán)境和資源主要是：失重-長(zhǎng)時(shí)間，大范圍。超高真空-真空水平達(dá)到10-8至10-14托（1托= 133.322 帕），長(zhǎng)時(shí)間，大容量。超凈-無(wú)塵埃。超靜-無(wú)大地傳遞的振動(dòng)，無(wú)環(huán)境噪聲。深冷-宇宙背景絕對(duì)溫度4度，無(wú)與倫比的熱容量。高度位置-距地面數(shù)百千米、甚至數(shù)萬(wàn)千米高空，連續(xù)、定 期、重復(fù)、無(wú)干擾，視野廣闊。廉價(jià)無(wú)污染能源-太陽(yáng)能。航天事業(yè)發(fā)展的初期著重于高度位置資源的利用，通信衛(wèi)星、 資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等各種應(yīng)用衛(wèi)星均是 利用

2、高度位置資源有效地為人類社會(huì)服務(wù)。但是在失重等其它太 空資源的利用上考慮得不多，而載人航天主要的是利用失重資源以及其它資 源進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)，為人類社會(huì)的發(fā)展探索新的動(dòng)力。失重環(huán)境提供了一種極端物理?xiàng)l件，在這種物理?xiàng)l件下，許 多物理規(guī)律不同于重力環(huán)境。例如，由重力引起的流體的自然對(duì) 流基本消除，擴(kuò)散過(guò)程成為主要因素；流體中浮力基本消失，液 體的約束力來(lái)自于表面張力；潤(rùn)濕現(xiàn)象（液體在另一種物體表面 的擴(kuò)散現(xiàn)象）和毛細(xì)現(xiàn)象加?。涣黧w靜壓力消失等。從理論上講失 重環(huán)境消除了所有由重力引起的不利因素，是一種新的非常理想 的環(huán)境。載人航天的實(shí)際應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下7個(gè)方面：一、材料加工太空材料加工主要是

3、利用失重和高真空環(huán)境，揭示被重力所 掩蓋的各種真實(shí)現(xiàn)象和材料物理現(xiàn)象的本質(zhì)，尋求消除地面制備 材料中缺陷的方法，提高地面制備材料的質(zhì)量，進(jìn)行新材料、新 工藝研究，并對(duì)具有戰(zhàn)略意義的功能材料進(jìn)行太空生產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)?？茖W(xué)家對(duì)材料狀態(tài)變化（材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，從氣態(tài)變?yōu)?固態(tài)等）中的物理和化學(xué)現(xiàn)象特別感興趣，這些知識(shí)能夠應(yīng)用于 地面實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠的加工工藝中。另外，失重實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏a(chǎn)少 量高品質(zhì)的材料和作為基準(zhǔn)的具有特殊性能的材料?？茖W(xué)家對(duì)研 究各種結(jié)晶方法感興趣，包括凝固、從溶液中結(jié)晶和從蒸氣中生 長(zhǎng)晶體。這些過(guò)程都包括最容易受重力影響的因素。電子材料在地面，重力作用在生長(zhǎng)的晶體上，引起拉伸、壓縮或彎

4、曲， 在晶體內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而產(chǎn)生位錯(cuò)。因熱流導(dǎo)致的對(duì)流旋渦，也將使晶體產(chǎn)生變形，而容器也會(huì)使晶體產(chǎn)生雜質(zhì)。在太空，重力引起的不利現(xiàn)象全部消失，晶體可以在蒸氣介 質(zhì)中于懸浮狀態(tài)下生長(zhǎng)，因而晶體個(gè)體大、位錯(cuò)密度小、無(wú)應(yīng)力、 純度高。光學(xué)材料無(wú)容器的熔煉和無(wú)對(duì)流的凝固條件，可以制取高質(zhì)量的特種 玻璃。這種玻璃的組分和特種添加劑的分布十分均勻，無(wú)氣泡、 無(wú)條紋、無(wú)雜質(zhì)、各向同性，是制造光導(dǎo)纖維和高級(jí)光學(xué)玻璃制 品的優(yōu)良材料，其光學(xué)性質(zhì)可接近理論值。在太空可以生產(chǎn)極細(xì)的、長(zhǎng)度幾乎不受限制的高級(jí)光導(dǎo)纖維。金屬材料因密度差異較大，地面上成分偏析極強(qiáng)的合金，在太空條件 下，可以得到理想的彌散結(jié)構(gòu)。多相合

5、金的組分選擇可以不考慮因密度不同而引起的偏析 和分層，從而可以進(jìn)行許多地面所不可能進(jìn)行的或在地面生產(chǎn)效 果很差的多相合金的生產(chǎn)（如鋁一鉛合金）。高純材料在地面上，容器（如坩蝸）和空氣使材料產(chǎn)生雜質(zhì)，致使材料 的提純受到很大限制。在太空，可以不用容器冶煉，還可以利用 廣漠的宇宙高真空迅速地吸除氣態(tài)揮發(fā)物、化合揮發(fā)的雜質(zhì)和蒸 氣，制備出純度極高的材料。玻璃金屬和陶瓷利用太空的超低溫，可以使熔融金屬迅速冷卻，使正常移動(dòng) 的原子和分子來(lái)不及完成它們有序的排列，生產(chǎn)出像玻璃一樣的 非晶態(tài)金屬。這種玻璃金屬具有獨(dú)特的性能，它的強(qiáng)度可比超高 強(qiáng)度鋼高出1倍，它的硬度、韌性、抗腐蝕能力和磁學(xué)特性等性 能都相當(dāng)

6、好。陶瓷是無(wú)機(jī)非金屬材料，能夠耐特別高的溫度，有廣泛的應(yīng) 用前途。研究獲得的知識(shí)將應(yīng)用于生成高強(qiáng)度、耐磨損、能夠用 于渦輪機(jī)的結(jié)晶陶瓷，提高內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料效率。生產(chǎn)生物陶 瓷人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙齒也是重要的應(yīng)用領(lǐng)域。薄膜地面上某些化學(xué)精制過(guò)程中，最終產(chǎn)品的純度取決于過(guò)濾用 的薄膜的質(zhì)量，生產(chǎn)足夠薄的薄膜就成了提高產(chǎn)品純度的重要因 素。在地面上，制造金屬或非金屬薄膜，其微薄的自身質(zhì)量成了 在重力條件下極難克服的破壞力，特別是在液態(tài)狀態(tài)下提取薄膜 時(shí)，薄膜的表面張力難以承受重力對(duì)其本身質(zhì)量的作用，薄膜因 此不能太薄。在太空，沒(méi)有了重力的破壞力，可以制取極薄的和 面積很大的薄膜，理論上薄膜的面積可以

7、無(wú)限大，為地面生產(chǎn)廉 價(jià)的高純度化學(xué)制品創(chuàng)造了條件。加工工藝在太空已經(jīng)出現(xiàn)了許多在地面不可能進(jìn)行的加工工藝，今后 的發(fā)展前景將是非常廣闊。例如：利用熔融金屬的表面張力（無(wú)容器制造）及表面張力使液體趨 于最小表面積（圓球）的特性，制成極圓的滾珠。用向熔融金屬中注入氣體的方法，可以制造在地面上無(wú)法制 造壁厚異常均勻、各向性能一致性極好的無(wú)縫空心滾珠。生產(chǎn)泡沫金屬是太空材料加工工藝中又一個(gè)突出例子，泡沫 金屬的用途很廣，加入金屬須后，可以具有鋼一樣的強(qiáng)度。利用熔融材料（金屬或非金屬）的表面張力，進(jìn)行附著鑄造。 即將熔融材料送到特制的模型或成型模上，材料就會(huì)在表面張力 的作用下，沿模型表面均勻地展布一

8、層。凝固后，可以再依次展 布數(shù)層。特殊形狀制件和高溫合金制件，可以采用粘結(jié)鑄造法和無(wú)容 器鑄造法生產(chǎn)。用粘結(jié)鑄造法可以生產(chǎn)夾層金屬，在一層金屬上 粘結(jié)另一層金屬。二、生物技術(shù)生物學(xué)主要研究重力與輻射對(duì)各種生命現(xiàn)象和過(guò)程的作用。 其中重力生物學(xué)主要揭示重力對(duì)地球生命系統(tǒng)的多重作用，重點(diǎn) 研究重力對(duì)動(dòng)、植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能、生長(zhǎng)發(fā)育、增殖和遺傳變 異等影響。植物種子的變異篩選和新種的發(fā)現(xiàn)，是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān) 鍵。科學(xué)家還研究了減少植物生長(zhǎng)周期的方法，在試驗(yàn)中，使大 豆的生長(zhǎng)周期從平均110天縮短到平均65天。太空生物工程和制藥孕育著很大的發(fā)展前景，用太空分離技 術(shù)提取藥物，可獲得地面難以達(dá)到的高純

9、度和高效率，蛋白質(zhì)晶 體、大分子結(jié)構(gòu)等都是在地面上難以獲得深入認(rèn)識(shí)的領(lǐng)域，利用 太空研究可獲得對(duì)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，用以指導(dǎo)地面藥物制備。人身體的蛋白質(zhì)在維持生命上起著重要作用，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 決定了它在人體內(nèi)所扮演的角色。然而，在地面由于重力的作用， 我們無(wú)法獲得足夠高品質(zhì)和足夠大的蛋白質(zhì)結(jié)晶，至今，對(duì)人體 中的蛋白質(zhì)，我們只知道不足1%的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。提純是影響藥物生產(chǎn)的重大問(wèn)題。目前，藥物提純廣泛應(yīng)用電泳法。電泳提純方法的原理是， 將需要分離提純的物質(zhì)置于靜止溶液中，在電場(chǎng)作用下，溶液中 固體物質(zhì)的不同組分因帶有不同電荷，而向不同區(qū)域移動(dòng)，以此 達(dá)到分離提純目的。在地面，重力嚴(yán)重妨礙電泳的正常進(jìn)行，

10、而在太空可以充分 發(fā)揮電泳的作用。太空藥物生產(chǎn)目前的研究主要集中在以下兩類：地面上無(wú)法有效分離，根本不能制造的藥物，和地面上雖能 制造，但生產(chǎn)效率低、成本昂貴的藥物。對(duì)我國(guó)來(lái)講，名貴中藥的分離提純和合成具有特殊重大意義。我國(guó)有許多味名貴中藥的自然生長(zhǎng)效率極低，太空電泳則有可能 對(duì)這些名貴中藥進(jìn)行充分的分離和提純，從而分析清楚它的全部 構(gòu)成成分，為在地面大批量合成生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。太空試驗(yàn)為地面生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和發(fā)展提供依據(jù)。如在國(guó)際 空間站上正在進(jìn)行的軟骨組織培養(yǎng)研究，將為地面人工合成軟骨 組織提供依據(jù)，使千萬(wàn)膝蓋骨損傷等需要軟骨治療的骨病患者獲 得更為有效的治療手段。地面生產(chǎn)的器官植入用生物

11、材料（如人造血管、人造肌肉、人 造瓣膜等），雜質(zhì)較多，人體對(duì)其十分敏感，常常出現(xiàn)排斥現(xiàn)象。 太空生產(chǎn)的生物材料，純度極高，可以避免許多生物相容性不佳 的現(xiàn)象，提高人造器官植入的成功率。三、失重科學(xué)失重科學(xué)主要包括流體物理、燃燒科學(xué)和基礎(chǔ)物理等，對(duì)其 物理過(guò)程和機(jī)理的研究，失重下的新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，將揭 示被重力所掩蓋的現(xiàn)象和實(shí)質(zhì)，為人們深入認(rèn)識(shí)流體、燃燒和物 質(zhì)的本質(zhì)提供依據(jù)，從而改善地面上與人類生活密不可分的流體、 燃燒過(guò)程和物質(zhì)特性。流體物理我們的世界里有許多流體：地球大氣層、海洋；我們的身體 依賴氣體和血液的流動(dòng)而生存；人類創(chuàng)造許多的技術(shù)中離不開(kāi)流 體，如發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力工廠、供水系統(tǒng)。

12、我們?cè)谏钪腥绱艘蕾嚵?體，因此，將流體物理作為失重環(huán)境中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。重力對(duì)流體行為具有重大的影響，一個(gè)非常明顯的現(xiàn)象是， 由于密度不同引起的浮力造成的對(duì)流形成流動(dòng)。如水的加熱，在 容器底部的水被加熱，密度變小形成氣泡，上升至頂部，同時(shí)， 涼的密度大的水代替底部的氣泡，造成了流動(dòng)。重力影響的另一 種現(xiàn)象是不同密度的液體分層形成沉淀。重力影響如此強(qiáng)大，科 學(xué)家無(wú)法確定重力對(duì)流體行為究竟構(gòu)成什么影響，從而無(wú)法排除 重力效應(yīng)而得知流體流動(dòng)的行為本質(zhì)。燃燒科學(xué)發(fā)電、家庭加熱、地面運(yùn)輸、航天器和飛機(jī)推進(jìn)、材料加工 都是用燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能或推進(jìn)力。燃燒是當(dāng)今世界大約 85%的能源來(lái)源，對(duì)于我

13、們現(xiàn)在的生活起著至關(guān)重要的作用，但 我們至今仍然缺乏完整的燃燒過(guò)程理論，這也是現(xiàn)在的燃燒過(guò)程 對(duì)我們的環(huán)境構(gòu)成污染的重要原因。失重環(huán)境燃燒科學(xué)研究的目標(biāo)是增進(jìn)我們對(duì)燃燒基本原理 受重力影響的了解，增進(jìn)我們對(duì)在地面上燃燒的認(rèn)識(shí)。失重環(huán)境中排除了浮力引起的對(duì)流和沉淀引起的分層，燃燒 平靜均勻地混合在一起，能夠?qū)θ紵^(guò)程進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，能夠進(jìn) 行更重要的燃燒試驗(yàn)，科學(xué)家可以去研究被重力掩蓋了的真實(shí)燃 燒現(xiàn)象?；A(chǔ)物理基礎(chǔ)物理是研究從原子的微觀運(yùn)動(dòng)到恒星和行星的宇宙運(yùn) 動(dòng)定律的一門學(xué)科。失重環(huán)境中基礎(chǔ)物理主要研究?jī)?nèi)容是：壓縮物質(zhì)物理壓縮物質(zhì)物理是研究在壓縮狀態(tài)（液體或固體）時(shí)的物質(zhì)行為。 主要研究物質(zhì)在

14、接近它的臨界點(diǎn)（壓力和溫度條件達(dá)到使物質(zhì)從 一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N新?tīng)顟B(tài)的點(diǎn)）時(shí)的行為。在臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)變期 間，物質(zhì)具有特別的性質(zhì)，一些物質(zhì)變成超導(dǎo)體，具有在不損失 能量的情況下導(dǎo)電的能力。液氦在極低溫度下，變成超流體，意 味著它的流動(dòng)沒(méi)有阻力（零粘稠性），具有非常優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性。原子物理原子物理的研究對(duì)象是原子個(gè)體行為。主要研究對(duì)于各種不 同的刺激（如其它原子、電磁場(chǎng)）、溫度、壓力等變化時(shí)原子如何 反應(yīng)。由于原子個(gè)體非常小和運(yùn)動(dòng)速度非常快，觀測(cè)它們是非常 困難的。目前的觀測(cè)方法是用激光轟擊它們，使它們冷卻，運(yùn)動(dòng) 速度減慢。但重力使減慢速度的原子很快下落而從顯微鏡中消失。 在失重環(huán)境中，激光冷卻的原

15、子在原位置停留很長(zhǎng)時(shí)間，科學(xué)家 有能力很好地觀察它們的行為。引力和相對(duì)論物理學(xué)引力和相對(duì)論物理學(xué)是研究引力在物理世界中的影響。愛(ài)因 斯坦的相對(duì)論學(xué)說(shuō)是當(dāng)今解釋引力的理論，然而愛(ài)因斯坦的有些 理論只能在太空進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，時(shí)空彎曲問(wèn)題，測(cè)量地球是否 產(chǎn)生了同樣的彎曲，必須在距離地球很遠(yuǎn)的太空中進(jìn)行。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些用經(jīng)典理論難以解釋的現(xiàn)象。如分別于 1972年和1973年發(fā)射的先驅(qū)者10號(hào)和先驅(qū)者11號(hào)探測(cè)器朝 遠(yuǎn)離太陽(yáng)的實(shí)際飛行速度比計(jì)算的要慢，人們不知道為什么會(huì)出 現(xiàn)這種現(xiàn)象，人們懷疑對(duì)引力世界的認(rèn)識(shí)也許還存在不足。四、太空醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)太空醫(yī)學(xué)主要研究人在太空的生存、機(jī)體的變化和人的適應(yīng) 性，也包括生命保障系統(tǒng)的研究。太空生命科學(xué)主要揭示太空環(huán)境對(duì)重要生命現(xiàn)象及生命過(guò) 程的作用與影響，從而增進(jìn)對(duì)生命起源、生命現(xiàn)象和本質(zhì)以及生 命活動(dòng)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為發(fā)展地基生物技術(shù)提供理論依據(jù)，并 為改善人長(zhǎng)期在太空生活質(zhì)量提供依據(jù)。五、觀測(cè)太空對(duì)地觀測(cè)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的高技術(shù)。載人航天的對(duì)地 觀測(cè)在有人參與以后，可將觀測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、意外情況處理、 地球科學(xué)模型等構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，使涉及到從紫外、可見(jiàn)光、 紅外到微波的寬闊波段以及各波段之間協(xié)調(diào)觀測(cè)、主動(dòng)與被動(dòng)觀 測(cè)和定量化綜合等形成全新的觀測(cè)能力，更加適合觀測(cè)對(duì)象的動(dòng) 態(tài)變化和長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)。六、工程技術(shù)試驗(yàn)工程技術(shù)試驗(yàn)的