空間站核心艙發(fā)射在即 我們?yōu)槭裁匆ヌ兆鰧?shí)驗(yàn)？

出品：科普中國

制作：韓培、張偉（中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

空間站“天和”核心艙準(zhǔn)備好了！

據(jù)中國載人航天工程辦公室消息，核心艙發(fā)射已經(jīng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，將于2021年4月底發(fā)射。這意味著，我國空間站建設(shè)序幕也即將拉開，這將是中國載人航天又一個(gè)里程碑。

中國天宮空間站將于2022年前后正式完成在軌建造任務(wù)，成為長期有人照料的國家級太空實(shí)驗(yàn)室，支持開展大規(guī)模、多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

△中國空間站“天宮”（圖片來源：中國載人航天工程辦公室）

空間站特殊的位置，將為開展太空實(shí)驗(yàn)提供條件，比如微重力環(huán)境。

一提到太空，大家就會(huì)浮現(xiàn)出航天員在空間站中飄來飄去的樣子，好像完全脫離了重力的限制。其實(shí)，宇航員在太空艙內(nèi)并不是零重力而是處于微重力狀態(tài)。

按照“微重力”術(shù)語的英文“Microgravity”的原意，它是指該環(huán)境中的重力水平為地球表面處重力的百萬分之一，目前也有許多廣義的理解，把微重力理解為微小重力（或者說“低重力”），此時(shí)低重力的值通常為地面重力的萬分之一。

微重力條件如何形成的呢？

△圖片來源：作者自制

微重力環(huán)境下，地球上常見的物理現(xiàn)象會(huì)發(fā)生不可思議的變化。

△水變成了水珠 可以當(dāng)乒乓球打（圖片來源：http://www.sohu.com/a/217990314_269042）

△你要是一哭眼淚就掛在臉上 （圖片來源：http://www.sohu.com/a/217990314_269042）

△喝水變成吃水珠 （圖片來源：https://www.bilibili.com/read/cv158556/）

這些現(xiàn)象就是物理學(xué)中所指的空間微重力物理效應(yīng)。

空間微重力物理效應(yīng)泛指在空間微重力環(huán)境中不同于重力環(huán)境下基本物理效應(yīng)，主要包括液體和氣體由重力導(dǎo)致的自然對流基本消除、液體中浮力消失、由于物質(zhì)密度不同引起的沉浮和分層現(xiàn)象也消失等現(xiàn)象。

那么，在這么特殊的微重力環(huán)境下能夠開展一些什么樣的科學(xué)研究呢？

微重力條件下的流體微重力流體物理研究微重力下流體（液體、氣體及其多相混合物）的流動(dòng)、形態(tài)、相變的規(guī)律和機(jī)理。在微重力下重力引起的浮力對流、密度分層、沉降、流體內(nèi)部靜壓及壓力梯度等效應(yīng)基本消失，而一些次級效應(yīng)凸顯，流態(tài)和熱質(zhì)輸運(yùn)表現(xiàn)出新特點(diǎn)。

微重力流體物理研究的內(nèi)容包括界面現(xiàn)象、多相流、復(fù)雜流體等。這一領(lǐng)域的研究對發(fā)展先進(jìn)的空間流體管理、熱管理等航天技術(shù)有十分重要的作用，其研究成果對改進(jìn)地面石油、化工、制造等產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)過程將做出積極貢獻(xiàn)。

空間流體物理的主要研究內(nèi)容包括微重力流體動(dòng)力學(xué)、兩相流、相變傳熱及其應(yīng)用研究、復(fù)雜流體等。

舉個(gè)例子，我國天宮二號搭載的液橋液毛細(xì)對流實(shí)驗(yàn)，對空間環(huán)境流體的流動(dòng)和耗散機(jī)理的基礎(chǔ)研究，對人類認(rèn)識和掌握空間流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要意義。

△在天宮2號上生成的大尺寸液橋（圖片來源：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

微重力條件下的材料制備不止是流體，材料科學(xué)在太空中也大有可為。

在微重力條件下，基于地面材料制備的對流控制、擴(kuò)散機(jī)制、凝固過程和缺陷形成等不再適用。探索微重力條件下的材料制備過程能夠深入理解相應(yīng)物理規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題，研制出地面難以制備的新材料。

微重力條件還便于實(shí)現(xiàn)樣品懸浮的無容器加工，為創(chuàng)造極端熱力學(xué)非平衡條件下的材料研究和準(zhǔn)確的材料熱物性測量提供了有利條件。微重力下可以研究金屬、非金屬和復(fù)合材料等幾乎所有材料，包括晶體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)、磁性、記憶、熱電等各種功能材料，金屬合金、泡沫多孔和復(fù)合材料，以及陶瓷、玻璃等結(jié)構(gòu)材料。

材料是國民經(jīng)濟(jì)的基石，新材料是所有高技術(shù)和高端制造業(yè)的基礎(chǔ)。空間材料科學(xué)是深入開展材料科學(xué)研究的獨(dú)特途徑，可能獲得地面難以生產(chǎn)的先進(jìn)材料和地面難以精確測量的重要參數(shù)，發(fā)展材料科學(xué)技術(shù)，為我國建立新的材料產(chǎn)業(yè)體系做出貢獻(xiàn)。

空間材料科學(xué)領(lǐng)域包括兩個(gè)主要研究方向：一是在排除重力影響下研究材料的制備過程規(guī)律及材料的結(jié)構(gòu)和性能變化；二是空間應(yīng)用材料在高能粒子和紫外輻照、原子氧侵蝕、高低溫交變循環(huán)等空間環(huán)境下的使役行為。

主要研究內(nèi)容有生長（凝固）界面穩(wěn)定性與缺陷控制，過冷、形核與晶體生長過程，相分離與聚集行為，高性能材料空間制備及工藝研究、熔體物理性質(zhì)測量與研究、材料在空間環(huán)境下的行為特性等。

空間微重力資源是一種極其有用但在地球上不可獲得的稀缺資源，我國空間站發(fā)射升空之后，在太空環(huán)境中利用微重力條件進(jìn)行各項(xiàng)科學(xué)研究將為我國各領(lǐng)域科研與應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)。

△中國空間站密封艙內(nèi)的空間實(shí)驗(yàn)柜（圖片來源：中國載人航天工程辦公室）

△中國空間站艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖片來源：中國載人航天工程辦公室）

面對神秘又引人的太空，中國航天工作者們從未停止探索的腳步，讓我們跟隨他們的步伐，展望中國航天事業(yè)的明天！