太空科学实验.docx

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太空科学实验

太空科学实验

利用太空的特殊环境和资源，进行地面难以进行的科学实验，可获取新的知识和技术，促进人类社会的进一步发展，提高人们的生活质量。

太空的特殊环境和资源主要是:

失重--长时间，大范围。

超高真空--真空水平达到10-8至10-14托（1托＝133.322帕），长时间，大容量。

超净--无尘埃。

超静--无大地传递的振动，无环境噪声。

深冷--宇宙背景绝对温度4度，无与伦比的热容量。

高度位置--距地面数百千米、甚至数万千米高空，连续、定期、重复、无干扰，视野广阔。

廉价无污染能源--太阳能。

航天事业发展的初期着重于高度位置资源的利用，通信卫星、资源卫星、气象卫星、海洋卫星、导航卫星等各种应用卫星均是利用高度位置资源有效地为人类社会服务。

但是在失重等其它太空资源的利用上

考虑得不多，而载人航天主要的是利用失重资源以及其它资源进行科学和技术实验，为人类社会的发展探索新的动力。

失重环境提供了一种极端物理条件，在这种物理条件下，许多物理规律不同于重力环境。

例如，由重力引起的流体的自然对流基本消除，扩散过程成为主要因素；流体中浮力基本消失，液体的约束力来自于表面张力；润湿现象（液体在另一种物体表面的扩散现象）和毛细现象加剧；流体静压力消失等。

从理论上讲失重环境消除了所有由重力引起的不利因素，是一种新的非常理想的环境。

载人航天的实际应用主要体现在以下7个方面：

一、材料加工

太空材料加工主要是利用失重和高真空环境，揭示被重力所掩盖的各种真实现象和材料物理现象的本质，寻求消除地面制备材料中缺陷的方法，提高地面制备材料的质量，进行新材料、新工艺研究，并对具有战略意义的功能材料进行太空生产技术试验。

科学家对材料状态变化（材料从液态变为固态，从气态变为固态等）中的物理和化学现象特别感兴趣，这些知识能够应用于地面实验室和生产厂的加工工艺中。

另外，失重实验能够生产少量高品质的材料和作为基准的具有特殊性能的材料。

科学家对研究各种结晶方法感兴趣，包括凝固、从溶液中结晶和从蒸气中生长晶体。

这些过程都包括最容易受重力影响的因素。

电子材料

在地面，重力作用在生长的晶体上，引起拉伸、压缩或弯曲，在晶体内产生应力和变形，从而产生位错。

因热流导致的对流旋涡，也将使晶体产生变形，而容器也会使晶体产生杂质。

在太空，重力引起的不利现象全部消失，晶体可以在蒸气介质中于悬浮状态下生长，因而晶体个体大、位错密度小、无应力、纯度高。

光学材料

无容器的熔炼和无对流的凝固条件，可以制取高质量的特种玻璃。

这种玻璃的组分和特种添加剂的分布十分均匀，无气泡、无条纹、无杂质、各向同性，是制造光导纤维和高级光学玻璃制品的优良材料，其光学性质可接近理论值。

在太空可以生产极细的、长度几乎不受限制的高级光导纤维。

金属材料

因密度差异较大，地面上成分偏析极强的合金，在太空条件下，可以得到理想的弥散结构。

多相合金的组分选择可以不考虑因密度不同而引起的偏析和分层，从而可以进行许多地面所不可能进行的或在地面生产效果很差的多相合金的生产（如铝－铅合金）。

高纯材料

在地面上，容器（如坩埚）和空气使材料产生杂质，致使材料的提纯受到很大限制。

在太空，可以不用容器冶炼，还可以利用广漠的宇宙高真空迅速地吸除气态挥发物、化合挥发的杂质和蒸气，制备出纯度极高的材料。

玻璃金属和陶瓷

利用太空的超低温，可以使熔融金属迅速冷却，使正常移动的原子和分子来不及完成它们有序的排列，生产出像玻璃一样的非晶态金属。

这种玻璃金属具有独特的性能，它的强度可比超高强度钢高出1倍，它的硬度、韧性、抗腐蚀能力和磁学特性等性能都相当好。

陶瓷是无机非金属材料，能够耐特别高的温度，有广泛的应用前途。

研究获得的知识将应用于生成高强度、耐磨损、能够用于涡轮机的结晶陶瓷，提高内燃机发动机燃料效率。

生产生物陶瓷人造骨骼、关节和牙齿也是重要的应用领域。

薄膜

地面上某些化学精制过程中，最终产品的纯度取决于过滤用的薄膜的质量，生产足够薄的薄膜就成了提高产品纯度的重要因素。

在地面上，制造金属或非金属薄膜，其微薄的自身质量成了在重力条件下极难克服的破坏力，特别是在液态状态下提取薄膜时，薄膜的表面张力难以承受重力对其本身质量的作用，薄膜因此不能太薄。

在太空，没有了重力的破坏力，可以制取极薄的和面积很大的薄膜，理论上薄膜的面积可以无限大，为地面生产廉价的高纯度化学制品创造了条件。

加工工艺

在太空已经出现了许多在地面不可能进行的加工工艺，今后的发展前景将是非常广阔。

例如：

利用熔融金属的表面张力（无容器制造）及表面张力使液体趋于最小表面积（圆球）的特性，制成极圆的滚珠。

用向熔融金属中注入气体的方法，可以制造在地面上无法制造壁厚异常均匀、各向性能一致性极好的无缝空心滚珠。

生产泡沫金属是太空材料加工工艺中又一个突出例子，泡沫金属的用途很广，加入金属须后，可以具有钢一样的强度。

利用熔融材料（金属或非金属）的表面张力，进行附着铸造。

即将熔融材料送到特制的模型或成型模上，材料就会在表面张力的作用下，沿模型表面均匀地展布一层。

凝固后，可以再依次展布数层。

特殊形状制件和高温合金制件，可以采用粘结铸造法和无容器铸造法生产。

用粘结铸造法可以生产夹层金属，在一层金属上粘结另一层金属。

二、生物技术

生物学主要研究重力与辐射对各种生命现象和过程的作用。

其中重力生物学主要揭示重力对地球生命系统的多重作用，重点研究重力对动、植物细胞结构、功能、生长发育、增殖和遗传变异等影响。

植物种子的变异筛选和新种的发现，是提高农作物产量的关键。

科学家还研究了减少植物生长周期的方法，在试验中，使大豆的生长周期从平均110天缩短到平均65天。

太空生物工程和制药孕育着很大的发展前景，用太空分离技术提取药物，可获得地面难以达到的高纯度和高效率，蛋白质晶体、大分子结构等都是在地面上难以获得深入认识的领域，利用太空研究可获得对机理的认识，用以指导地面药物制备。

人身体的蛋白质在维持生命上起着重要作用，蛋白质的结构决定了它在人体内所扮演的角色。

然而，在地面由于重力的作用，我们无法获得足够高品质和足够大的蛋白质结晶，至今，对人体中的蛋白质，我们只知道不足1%的蛋白质结构。

提纯是影响药物生产的重大问题。

目前，药物提纯广泛应用电泳法。

电泳提纯方法的原理是，将需要分离提纯的物质置于静止溶液中，在电场作用下，溶液中固体物质的不同组分因带有不同电荷，而向不同区域移动，以此达到分离提纯目的。

在地面，重力严重妨碍电泳的正常进行，而在太空可以充分发挥电泳的作用。

太空药物生产目前的研究主要集中在以下两类：

地面上无法有效分离，根本不能制造的药物，和地面上虽能制造，但生产效率低、成本昂贵的药物。

对我国来讲，名贵中药的分离提纯和合成具有特殊重大意义。

我国有许多味名贵中药的自然生长效率极低，太空电泳则有可能对这些名贵中药进行充分的分离和提纯，从而分析清楚它的全部构成成分，为在地面大批量合成生产提供可靠的依据。

太空试验为地面生产工艺的改进和发展提供依据。

如在国际空间站上正在进行的软骨组织培养研究，将为地面人工合成软骨组织提供依据，使千万膝盖骨损伤等需要软骨治疗的骨病患者获得更为有效的治疗手段。

地面生产的器官植入用生物材料（如人造血管、人造肌肉、人造瓣膜等），杂质较多，人体对其十分敏感，常常出现排斥现象。

太空生产的生物材料，纯度极高，可以避免许多生物相容性不佳的现象，提高人造器官植入的成功率。

三、失重科学

失重科学主要包括流体物理、燃烧科学和基础物理等，对其物理过程和机理的研究，失重下的新现象、新规律的研究，将揭示被重力所掩盖的现象和实质，为人们深入认识流体、燃烧和物质的本质提供依据，从而改善地面上与人类生活密不可分的流体、燃烧过程和物质特性。

流体物理

我们的世界里有许多流体：

地球大气层、海洋；我们的身体依赖气体和血液的流动而生存；人类创造许多的技术中离不开流体，如发动机、动力工厂、供水系统。

我们在生活中如此依赖流体，因此，将流体物理作为失重环境中的一个重要研究领域。

重力对流体行为具有重大的影响，一个非常明显的现象是，由于密度不同引起的浮力造成的对流形成流动。

如水的加热，在容器底部的水被加热，密度变小形成气泡，上升至顶部，同时，凉的密度大的水代替底部的气泡，造成了流动。

重力影响的另一种现象是不同密度的液体分层形成沉淀。

重力影响如此强大，科学家无法确定重力对流体行为究竟构成什么影响，从而无法排除重力效应而得知流体流动的行为本质。

燃烧科学

发电、家庭加热、地面运输、航天器和飞机推进、材料加工都是用燃烧将化学能转换为热能或推进力。

燃烧是当今世界大约85%的能源来源，对于我们现在的生活起着至关重要的作用，但我们至今仍然缺乏完整的燃烧过程理论，这也是现在的燃烧过程对我们的环境构成污染的重要原因。

失重环境燃烧科学研究的目标是增进我们对燃烧基本原理受重力影响的了解，增进我们对在地面上燃烧的认识。

失重环境中排除了浮力引起的对流和沉淀引起的分层，燃烧平静均匀地混合在一起，能够对燃烧过程进行详细观测，能够进行更重要的燃烧试验，科学家可以去研究被重力掩盖了的真实燃烧现象。

基础物理

基础物理是研究从原子的微观运动到恒星和行星的宇宙运动定律的一门学科。

失重环境中基础物理主要研究内容是：

压缩物质物理

压缩物质物理是研究在压缩状态（液体或固体）时的物质行为。

主要研究物质在接近它的临界点（压力和温度条件达到使物质从一种状态转变为另一种新状态的点）时的行为。

在临界点转变期间，物质具有特别的性质，一些物质变成超导体，具有在不损失能量的情况下导电的能力。

液氦在极低温度下，变成超流体，意味着它的流动没有阻力（零粘稠性），具有非常优良的热传导性。

原子物理

原子物理的研究对象是原子个体行为。

主要研究对于各种不同的刺激（如其它原子、电磁场）、温度、压力等变化时原子如何反应。

由于原子个体非常小和运动速度非常快，观测它们是非常困难的。

目前的观测方法是用激光轰击它们，使它们冷却，运动速度减慢。

但重力使减慢速度的原子很快下落而从显微镜中消失。

在失重环境中，激光冷却的原子在原位置停留很长时间，科学家有能力很好地观察它们的行为。

引力和相对论物理学

引力和相对论物理学是研究引力在物理世界中的影响。

爱因斯坦的相对论学说是当今解释引力的理论，然而爱因斯坦的有些理论只能在太空进行实验。

例如，时空弯曲问题，测量地球是否产生了同样的弯曲，必须在距离地球很远的太空中进行。

已经发现了一些用经典理论难以解释的现象。

如分别于1972年和1973年发射的先驱者10号和先驱者11号探测器朝远离太阳的实际飞行速度比计算的要慢，人们不知道为什么会出现这种现象，人们怀疑对引力世界的认识也许还存在不足。

四、太空医学、生命科学

太空医学主要研究人在太空的生存、机体的变化和人的适应性，也包括生命保障系统的研究。

太空生命科学主要揭示太空环境对重要生命现象及生命过程的作用与影响，从而增进对生命起源、生命现象和本质以及生命活动基本规律的认识，为发展地基生物技术提供理论依据，并为改善人长期在太空生活质量提供依据。

五、观测

太空对地观测是一项综合性很强的高技术。

载人航天的对地观测在有人参与以后，可将观测技术、数据传输、意外情况处理、地球科学模型等构成一个有机整体，使涉及到从紫外、可见光、红外到微波的宽阔波段以及各波段之间协调观测、主动与被动观测和定量化综合等形成全新的观测能力，更加适合观测对象的动态变化和长期连续观测。

六、工程技术试验

工程技术试验的基本任务和目的是为未来的载人航天和其它太空技术活动作准备，进行先期技术验证。

例如，更有效地适应太空环境的材料研究，用于未来太空生命保障系统的全再生式生命保障技术，为人类登陆火星的生命保障技术，利用光能推进的光帆技术，利用太阳能为地面供电的太阳能电站技术等。

七、军事应用

高技术条件下，无论是和平时期的国家安全还是在战争时期，都将由陆、海、空、天四维空间的军事能力提供支持和保障，其中，太空是最能发挥高技术能力的领域。

探索和发挥太空的军事作用包括军人在太空的作用，是未来军事太空能力的重要体现。