前沿 | 微重力科学和空间生命科学

在地球上研究物质运动的规律，不可避免地要遇到地球引力的问题，特别是当物质出现上下方向的运动时。例如，热的空气比冷的空气轻，它就必然向上飘；火焰的火苗总是向上而不是向下的。此外，地球上演化出现生命的现象，也不能排除地球引力的影响。这些问题，都可以通过在轨道上的微重力实验加以解决，从而发现物质之间及生命现象的本质规律。本文介绍这些方面的基础知识，之后引入相关重大前沿科学问题。

一、如何模拟微重力环境

1. 微重力落塔

微重力落塔是建造几十米甚至上百米高的建筑，在中间留出自由下落物体的空间，通常以圆塔的形式来实现。由于空气阻力会改变物体自由下落的速度，对微重力水平要求较高的实验，需要在塔的中间再建设一个真空的垂直管道，使实验装置在没有空气阻力的条件下下落。由于人工建筑高度的限制，这种落塔通常只能获得几秒钟的微重力时间。更复杂的设计有，由落井和落塔两种建筑形式配合，以延长微重力时间。还有就是增加上抛机构，将实验装置从塔的底部加速上抛，加速停止后，装置就进入了微重力状态，并继续向上运动一段时间到达塔的顶点后再下落，这样可以将仅仅采用下落的方式获得的微重力时间增加近1倍。但是由于对上抛机构的精确度要求很高，需要确保实验装置在真空管内的垂直度，不能碰到管壁。此外，上抛时加速度很大，在装置进入微重力时间前，过载可能会破坏试验样品。国际上目前真正实现了上抛加下落的落塔只有位于德国不来梅的微重力实验室（Center of Applied Space Technology and Microgravity，ZARM）。

▲?微重力落塔

2. 微重力飞机

微重力飞机指的是飞机在飞行时，飞行员模拟自由落体的抛物线进行飞行，如图所示，在下落的过程中，飞机内部的所有装置都进入微重力状态。飞机到达最低点后再拉升起来，达到顶点后再次沿抛物线下落飞行，又一次进入微重力环境。这样的飞行在一次任务中可以进行多次。但是由于飞机拉升时，是超重力环境，对实验样品也有一定程度的扰动。由于飞机飞行的最高高度只有1万m左右，在一次抛物线飞行中，只能实现大约30s的微重力时间。这还需要飞行员具有很高的飞行水平。

▲?抛物线飞机

3. 微重力气球和微重力火箭

这两种模拟方法都是将实验装置携带至几十千米（高空气球）到几百千米（探空火箭）的高度，然后将实验装置抛出，让其自由下落。但是由于下落到30km高度以后，大气密度逐渐增加，产生的阻力破坏了微重力环境，实验只能在进入30km高度之前完成。由于高空气球的飞行高度最高也只有40～50km，用高空气球的方式开展微重力实验，获得的微重力时间并没有提升多少。采用探空火箭开展微重力实验，则可以获得数分钟到十数分钟的高质量的微重力时间。但是，探空火箭的成本较高。ESA和NASA每年利用探空火箭进行微重力和生命科学实验的次数都在一到两位数规模以内。利用探空火箭进行微重力和生命科学实验，均需要将样品回收，因此要同时考虑样品的回收技术。世界上绝大部分的探空火箭发射场都在陆地上的无人地带，通过降落伞回收样品。样品着陆后有精确的定位信息，可通过直升机或越野车尽快获得回收的样品。极少数的探空火箭实验场利用海上回收的方式，如挪威的实验场。

▲?高空气球

4.返回式微重力实验卫星

在地球轨道上运行的人造卫星做圆周运动时的离心力如果与地球引力相等，卫星将在轨道上持续运行而不会掉下来。在地球的引力场条件下，这样的轨道速度称为“第一宇宙速度”。根据轨道的高度不同，速度为 7.6～7.8km/s。当卫星达到这样的轨道速度以后，由于离心力抵消了地球引力，在人造卫星上将出现模拟的微重力环境。虽然并非真正的微重力环境，但这个模拟环境存在的时间与人造卫星的轨道寿命一样长，是以周、月、年来计算的。因此，人造卫星是开展长期微重力和生命科学实验的最佳实验平台。同时需要指出的是，样品回收会带来额外的技术问题，如回收舱进入大气层后气动热的防护问题、着陆前的开伞问题、开伞后落点不确定的问题，以及着陆后尽快发现和样品获取的问题等。相比探空火箭和不要求回收的人造卫星，返回式微重力实验卫星的成本更高。

5.载人空间实验室、空间站

文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/zonghexinwen/2021/0216/442.html