太空科学实验.docx

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（如铝一铅合金）高纯材料在地面上，容器（如坩蜗）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。