導(dǎo)語 “天宮二號”任務(wù)中有一項非常重要的工作，即開展較大規(guī)模的空間科學(xué)實驗和應(yīng)用試驗，包括微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學(xué)研究應(yīng)用、應(yīng)用新技術(shù)試驗等多領(lǐng)域的科學(xué)研究實驗。能搭乘“天宮二號”上天的實驗，無疑都屬于最前沿的科學(xué)領(lǐng)域。哪些科學(xué)實驗?zāi)軌颉吧咸臁保克鼈兙哂泻畏N價值呢？實驗在太空又是如何操作？惡劣的太空環(huán)境又對實驗提出了怎樣的要求呢？
導(dǎo)語 “天宮二號”任務(wù)中有一項非常重要的工作，即開展較大規(guī)模的空間科學(xué)實驗和應(yīng)用試驗，包括微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學(xué)研究應(yīng)用、應(yīng)用新技術(shù)試驗等多領(lǐng)域的科學(xué)研究實驗。能搭乘“天宮二號”上天的實驗，無疑都屬于最前沿的科學(xué)領(lǐng)域。哪些科學(xué)實驗?zāi)軌颉吧咸臁保克鼈兙哂泻畏N價值呢？實驗在太空又是如何操作？惡劣的太空環(huán)境又對實驗提出了怎樣的要求呢？
太空環(huán)境在很多方面都異于地球表面環(huán)境，相比地球表面環(huán)境，太空環(huán)境可以稱得上是極端環(huán)境，但正是在極端物理條件下，物質(zhì)的運動規(guī)律、物理化學(xué)過程、生命過程等都可能會發(fā)生變化，這就意味著重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的可能。
1.微重力
由于太空和地球表面環(huán)境有很大的不同，地球表面為1G重力環(huán)境，在太空則為微重力環(huán)境。當航天器在太空中高速飛行時，高速運動產(chǎn)生的離心力與地球引力達到了平衡，在這種情況下，航天器及其內(nèi)部的物體相互之間沒有拉、壓、剪切等作用力，即處于接近無重力的狀態(tài)。
實際上，航天器還會受到太空微小空氣阻力作用，航天器內(nèi)的物體并不都在航天器質(zhì)心位置，有時航天器會旋轉(zhuǎn)或發(fā)動機工作會產(chǎn)生推力。在這些情況下，航天器及其內(nèi)部的物體表現(xiàn)出有微小的重量或者產(chǎn)生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，這種作用力稱為“微重力”。
微重力環(huán)境下，有望發(fā)現(xiàn)被地球重力掩蓋的物質(zhì)的特殊運動規(guī)律，這就意味著有可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破。因此，微重力環(huán)境是一種寶貴的資源，人類可以利用它開展地面上難以進行的科學(xué)實驗，進行先進材料加工和藥物蛋白質(zhì)結(jié)晶等試驗，從而指導(dǎo)地面改善材料加工工藝或進行基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計。
2.高輻射環(huán)境
太空輻射是一種包含伽瑪射線、高能質(zhì)子和宇宙射線的特殊混合體。輻射也是天體上能量傳遞的一種基本方式。在地面條件下，人們會受到濃密大氣層的有效保護，通常只會受到極微量宇宙射線的照射。然而在失去大氣層保護的太空中，輻射的影響就不能被忽視，銀河系宇宙線往往是高能、高穿透性的粒子，普通飛船提供的適度防護無法阻止它們，就算飛船的外殼用30厘米厚的鋁板制成，也會殘余不小的輻射劑量。所以，太空輻射的實際危險遠不是我們實驗室里能估計得到的情況。
這種惡劣的太空輻射環(huán)境同時也給予了太空實驗獨特的環(huán)境，例如今年的4月升空的實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星，就搭載了這樣一項科學(xué)實驗：空間輻射對基因組的作用和遺傳效應(yīng)研究。這項研究通過三種對比實驗來研究空間輻射對基因組的影響。科學(xué)家試圖通過研究輻射來尋找恰當?shù)膽?yīng)對方法，為太空輻射的風(fēng)險和防護研究提供新的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢測手段，保證人類長期空間活動的順利進行。
3. 航天器軌道
繞地飛行的航天器的軌道雖然不外乎圓形和橢圓形兩種，但可能方向和形態(tài)卻是差別很大，軌道形狀與航天器入軌時的速度和方向有關(guān)，究竟采用哪種形狀的軌道，則是由航天器的功能和用途決定的。不同軌道高度的航天器在觀察地球、通信廣播、導(dǎo)航定位和大地測量等方面都有差異。因此，并不是軌道越高就能觀測更多地球信息，也并非軌道越低傳達的信息越準確，而是要根據(jù)不同航天器的任務(wù)設(shè)計不同的軌道高度。
4.太空中的細菌
不論人類走到哪里，都會發(fā)現(xiàn)細菌的蹤跡。一旦人們身處太空，不論時間長短，細菌都會以欣欣向榮之姿茁壯生長。微生物無處不在，宇宙飛船中也是如此。
現(xiàn)有的研究證實，不論是微重力還是模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)細菌，細菌培養(yǎng)環(huán)境發(fā)生改變，間接地對細菌造成影響，這會利于細菌的培養(yǎng)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)模擬微重力下大腸桿菌抵抗酸性、熱應(yīng)力和滲透壓等能力增強，耐藥性也增強，出現(xiàn)了上百種基因的表達變化。因此，探明太空環(huán)境對細菌影響的機制，不僅可以保障航天員的健康，而且可以評價歲航天器返回地球細菌的毒性及耐藥性，保障人類的健康。
科學(xué)家的科學(xué)實驗如果要在太空中進行必須要滿足上天的要求，即航天標準，也就是要在“機”、“熱”、“電”等方面滿足航天要求。
1.“機”為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。科學(xué)實驗設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)要滿足相應(yīng)的力學(xué)要求，并且要經(jīng)受得住火箭發(fā)射階段的振動和沖擊，因此科學(xué)實驗設(shè)備要在地面進行振動試驗和沖擊試驗，即通過人為給實驗設(shè)備添加火箭發(fā)射過程中的振動和沖擊，檢驗試驗設(shè)備的可靠性。如果設(shè)備不能經(jīng)受住這樣的考驗，設(shè)計人員就要對試驗結(jié)果進行分析，在設(shè)備外殼需要加強處理的地方重新設(shè)計，然后再進行相同的試驗，直到滿足發(fā)射要求為止。
2.“熱”為熱控設(shè)計。如同只有維持在36-40°之間和一定的氣壓環(huán)境下人體才能正常工作和生活一樣，試驗設(shè)備一般包含了成千上萬的元器件和結(jié)構(gòu)件，大部分部件只能在特定的溫度環(huán)境下工作。然而試驗設(shè)備上天以后繞著地球旋轉(zhuǎn)，太陽一會兒照射設(shè)備一會兒不照射設(shè)備。可謂是“忽冷忽熱愛感冒”，實驗設(shè)備“感冒”后也就不能正常的工作了，因此在實驗設(shè)備必須具備自我溫度調(diào)節(jié)的功能。熱控設(shè)計就是要在設(shè)備外溫度變化的情況下維持設(shè)備內(nèi)部組件的正常“體溫”，即使是在真空環(huán)境下，也要把體內(nèi)的溫度維持在一個合理的范圍內(nèi)。
3.“電”即電子學(xué)設(shè)計。電子學(xué)設(shè)計相對比較廣泛，包括電路板設(shè)計、軟件設(shè)計、電磁兼容設(shè)計等。其功能也是要滿足試驗設(shè)備的正常運行，如果將設(shè)備比喻成人的身體，電子學(xué)解決的問題主要有：① “吃飯的問題”，即可靠電源控制技術(shù)，針對復(fù)雜多變的有效載荷供配電需求，提供高可靠電源控制，為有效載荷創(chuàng)造安全、穩(wěn)定、可靠的供電環(huán)境。② “感知和運動”的能力，即精密測量與控制技術(shù)。針對空間有效載荷的精密測量和控制需求，進行有效載荷的各類傳感器信號的采集和處理，以及有效載荷運動部件的控制和精密振動控制。③ “記憶的能力”，即有效載荷信息存儲技術(shù)。針對航天器有效載荷海量空間應(yīng)用數(shù)據(jù)的高可靠存儲需求，對先進在軌實（試）驗提供信息存儲支持。④ “交流的能力”，即有效載荷信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。針對航天器內(nèi)部有效載荷產(chǎn)生的海量科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，提供能夠進行實時信息獲取、傳輸和處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
普通公眾如果想把自己做的實驗送到太空，在地面就要進行充分的驗證試驗，所涉及到的方法主要有計算機仿真和地面驗證技術(shù)。
在太空探索過程中的所有航天器或者機器人，在上天之前都要進行充分的計算機仿真試驗，在給定空間環(huán)境參數(shù)的前提下，驗證試驗的結(jié)果是否能夠達到預(yù)期效果。
其次就要進行地面驗證試驗，最著名的驗證手段就是氣浮臺試驗。將試驗裝置安裝在堅硬的大理石平臺上，通過在接觸面安裝高壓氣浮裝置，使接觸面形成一層薄薄的氣膜，這樣就能消除物體之間的平動摩擦力，從而可以驗證包括兩個平動和一個轉(zhuǎn)動在內(nèi)的三自由度運動。通過更換不同的自由度來驗證6自由度的試驗。
對微重力環(huán)境要求較高的試驗可以選擇進行落塔或失重飛機試驗，兩種試驗方式可分別獲得幾秒和幾十秒的失重環(huán)境，以此來驗證6自由度的試驗。6自由度即物體在空間具有六個自由度，沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉(zhuǎn)動自由度 。因此，要完全確定物體的位置，就必須清楚這六個自由度。
從神舟系列飛船到天宮二號，中國航天事業(yè)逐漸開拓，載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略也穩(wěn)步進入第二階段。預(yù)計在2020年左右，中國將建成自己的空間站，屆時，中國空間站將成為中國空間科學(xué)研究和新技術(shù)試驗的重要基地。未來，越來越多的實驗將在空間站中開展，越來越多的設(shè)備將會被“送上天”，越來越多的數(shù)據(jù)將會被存儲與傳輸，一起期待吧！
專家支持：中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心
