實(shí)踐十號(hào)科學(xué)衛(wèi)星

4月6日凌晨，我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡稱實(shí)踐十號(hào)）發(fā)射升空。這顆專為科學(xué)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星搭載了19位“乘客”開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些“乘客”有哪些研究價(jià)值，對(duì)我國空間科學(xué)有什么意義？

有關(guān)家蠶、水稻等研究將來都可能有很大的應(yīng)用前景

在實(shí)踐十號(hào)上進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是利用其在太空飛行時(shí)營造的微重力（失重）環(huán)境。地球上發(fā)生的許多物理現(xiàn)象，都有重力的原因，消除重力因素，就可能觀察到地球上不可能出現(xiàn)的獨(dú)特現(xiàn)象，揭示被重力掩蓋的秘密。實(shí)踐十號(hào)發(fā)射升空，相當(dāng)于在太空微重力環(huán)境下主動(dòng)搭建了一個(gè)“移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”。

實(shí)踐十號(hào)總設(shè)計(jì)壽命為15天，搭載了19個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷。這19名“乘客”中，微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目10項(xiàng)，空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目9項(xiàng)。實(shí)踐十號(hào)為返回式衛(wèi)星，有留軌艙和回收艙，其中8項(xiàng)流體物理和燃燒實(shí)驗(yàn)放在留軌艙內(nèi)進(jìn)行，可看成是“單程票乘客”；其余11項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)將在回收艙進(jìn)行，他們手握“往返票”，這些實(shí)驗(yàn)載荷及實(shí)驗(yàn)樣品日后將重返地球。

實(shí)踐十號(hào)工程項(xiàng)目首席科學(xué)家胡文瑞院士表示，19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)是從200多項(xiàng)申請(qǐng)中精心挑選出來的，全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均為微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)前沿課題，其中多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是在國際上首次開展?！懊恳豁?xiàng)都是全新探索，具有很強(qiáng)的科學(xué)研究價(jià)值”。

比如，導(dǎo)線絕緣層和典型非金屬材料這兩個(gè)微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，是針對(duì)載人航天器的防火問題而設(shè)計(jì)的。由于缺乏微重力條件下完善的防火規(guī)范，我國以往主要借鑒地面或航空的防火規(guī)范。

“微重力環(huán)境比地面更容易著火，而且著火點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，很難撲滅。那么，哪些材料能用，哪些材料不能用？如何發(fā)現(xiàn)火情？怎么滅火？這一系列問題都要靠太空實(shí)驗(yàn)去解決。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就是要觀察微重力條件下材料著火、燃燒以及煙氣析出的規(guī)律，并對(duì)比重力條件下的燃燒規(guī)律，為建立我國自己完整的航天防火規(guī)范服務(wù)。這將對(duì)未來我國空間站的防火問題起到重要作用?！焙娜鹫f。

又如，晶體生長和材料制備在現(xiàn)代通信、電子產(chǎn)業(yè)中占據(jù)很重要的地位，在微重力環(huán)境下開展晶體生長研究，可排除浮力對(duì)流和重力沉淀效應(yīng)的干擾。實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師康琦說，研究微重力環(huán)境下晶體生長和凝固過程，有助于理解材料從熔體中形成的界面動(dòng)力學(xué)，為改善地面晶體生長工藝奠定基礎(chǔ)。通過微重力環(huán)境抑制溶質(zhì)浮力對(duì)流，從而獲得地面重力場(chǎng)中難以生長的高質(zhì)量材料。

19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)看上去“高冷”，其實(shí)很多離生活并不遠(yuǎn)。以“微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究”為例，煤是我國的主要能源，高效燃燒、降低污染排放對(duì)我國具有特殊意義。煤燃燒的模型化研究需要準(zhǔn)確的物性參數(shù)，然而由于受到地上重力及浮力對(duì)流的影響，有些物性參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量幾乎不可能。因此，有效建立各種模型以及模型推演，認(rèn)識(shí)煤燃燒機(jī)理對(duì)提高煤燃燒效率非常重要。在微重力環(huán)境下，觀察煤炭燃燒和污染物生成的基本規(guī)律，有望獲得一些地面無法得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)展更完善的煤燃燒理論和模型，幫助我國更好地綠色利用煤炭資源。

康琦表示，研究中有關(guān)家蠶、水稻以及涉及生命科學(xué)探索的研究，將來都可能有很大的應(yīng)用前景，不僅能轉(zhuǎn)化為可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也將促進(jìn)社會(huì)發(fā)展。

彌補(bǔ)我國空間科學(xué)“只見技術(shù)、不見科學(xué)”的短板

和很多衛(wèi)星不同，實(shí)踐十號(hào)專為科學(xué)設(shè)計(jì)，是目前單次開展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最多的衛(wèi)星。

胡文瑞說，“只見技術(shù)、不見科學(xué)”，是我國空間科學(xué)的短板。他認(rèn)為，空間利用包括空間科學(xué)、空間應(yīng)用和空間技術(shù)三個(gè)方面。這三方面是不可替代的，但長期以來我們的空間利用側(cè)重空間技術(shù)和空間應(yīng)用，對(duì)空間基礎(chǔ)科學(xué)的重視不足。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國際上共有5000多項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我國只占極少一部分。我國的空間科學(xué)研究依賴對(duì)他國公開數(shù)據(jù)的二次分析，在科學(xué)研究領(lǐng)域的投入也與美國國家航空航天局、歐洲空間局等有不小差距。

中科院國家空間科學(xué)中心主任、 空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說，我國之前發(fā)射的衛(wèi)星基本用在災(zāi)害預(yù)報(bào)、通信廣播等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。要成為航天強(qiáng)國，還需要在科學(xué)研究上取得突破進(jìn)展。支持基礎(chǔ)研究，雖然可能暫時(shí)看不到應(yīng)用，但會(huì)對(duì)未來發(fā)展產(chǎn)生很大影響。“我國已成為航天大國，要向航天強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，就不能沒有空間科學(xué)衛(wèi)星。要想實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，就必須要有原始創(chuàng)新能力?！?/p>

2011年1月，作為中國科學(xué)院首批啟動(dòng)的A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”正式立項(xiàng)，這是我國首次以重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)為主要目標(biāo)的系列科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃。實(shí)踐十號(hào)是首批立項(xiàng)4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，其他3顆為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星、硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星和量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

2015年12月18日，我國首顆暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星——“悟空”成功發(fā)射。它能通過探測(cè)宇宙中高能粒子的方向、能量以及電荷大小來間接尋找和研究暗物質(zhì)粒子，有助于了解宇宙起源。

將于2016年下半年擇機(jī)發(fā)射的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，主要用于發(fā)現(xiàn)和研究黑洞的性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律，通過觀測(cè)黑洞、中子星、活動(dòng)星系等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力中物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)和高能輻射過程。

計(jì)劃在今年7月發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，則有望在空間量子通信實(shí)用化方面取得重大突破。胡文瑞說，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)有望為我國空間科學(xué)研究開個(gè)好頭。

返回式科學(xué)衛(wèi)星有空間站無法取代的優(yōu)勢(shì)

我國是繼美國、俄羅斯之外第三個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國家。航天科技集團(tuán)第五研究院實(shí)踐十號(hào)工程總師唐伯昶說，返回式衛(wèi)星是開創(chuàng)我國航天遙感事業(yè)的功勛。在空間信息技術(shù)還不太發(fā)達(dá)的時(shí)候，需采取“相機(jī)上天拍照、返回獲取資料”的方式。但隨著我國在天地間建起“信息高速路”，返回式衛(wèi)星發(fā)展日漸式微，上次發(fā)射是2006年時(shí)的實(shí)踐八號(hào)。

有人質(zhì)疑：我國計(jì)劃在2020年前后建成載人空間站，空間站也可以做微重力實(shí)驗(yàn)，為什么還要發(fā)射實(shí)踐十號(hào)這樣的科學(xué)衛(wèi)星？

胡文瑞說，空間站和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星各有所長，在空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)上互為補(bǔ)充。“此前在做實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，就曾與載人航天工程研究人員溝通過，盡力避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)?？臻g站具備實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，有人參與等優(yōu)勢(shì)，但相比載人空間站，返回式科學(xué)衛(wèi)星也有空間站無法取代的優(yōu)勢(shì)。”

胡文瑞解釋，首先返回式科學(xué)衛(wèi)星有理想的微重力環(huán)境。載人空間站首要目標(biāo)是航天員的健康和安全，且有人員活動(dòng)或機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的干擾，微重力環(huán)境可能達(dá)不到要求。此外，衛(wèi)星機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。此次發(fā)射前8小時(shí)，最后一位“乘客”姍姍來遲，為的是最大限度排除地球重力的影響。最后，雙艙實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也可以讓一些比較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)分開做。所有這些，是在空間站里做不到的。

胡文瑞還表示，返回式衛(wèi)星開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小、成本低、一次飛行可提供較多的實(shí)驗(yàn)，特別有利于開展國際合作。據(jù)介紹，實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星也是一項(xiàng)開放的衛(wèi)星任務(wù)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的提出和參與單位包括中科院11個(gè)研究所和6所高校，并與歐洲空間局開展緊密的國際空間合作。

其中，“微重力條件下石油組分熱擴(kuò)散特性的研究和Soret系數(shù)的測(cè)量”就是聯(lián)合歐洲空間局和加拿大石油公司，對(duì)原油的Soret系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，力求深化對(duì)多組分流體在高壓以及有溫度梯度下流體成分的分布認(rèn)識(shí)，提供對(duì)油田中原油分布更準(zhǔn)確的理論預(yù)測(cè)，從而降低油田開采的成本。

吳季表示，除實(shí)踐十號(hào)等4個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)的衛(wèi)星項(xiàng)目外，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)還遴選并支持了8個(gè)背景型號(hào)項(xiàng)目，為未來5到10年空間科學(xué)衛(wèi)星做好準(zhǔn)備。其中，中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)“太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃”、全球水循環(huán)觀測(cè)衛(wèi)星等已開展科學(xué)目標(biāo)凝練、探測(cè)方案優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等工作，并經(jīng)過了國際論證。