“實(shí)踐十號(hào)”微重力下的新科研

“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星在軌模擬圖。中科院供圖

“實(shí)踐十號(hào)”是專門用于微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)空間實(shí)驗(yàn)的返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。衛(wèi)星于2016年4月6日在酒泉衛(wèi)星中心發(fā)射成功，整星在約250千米高度的近地圓軌道運(yùn)行12天后，衛(wèi)星返回艙與留軌艙分離，當(dāng)日返回艙攜帶11項(xiàng)材料、生物載荷安全返回地面，樣品完好，留軌艙在軌運(yùn)行繼續(xù)開展8項(xiàng)流體、燃燒微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，留軌艙于4月25日停止在軌實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

這些空間返回樣品和在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等經(jīng)過(guò)科學(xué)家的處理和分析，已經(jīng)產(chǎn)生了一批成果。已取得到的科學(xué)部分科學(xué)研究成果有：

顆粒物質(zhì)團(tuán)簇形成機(jī)制是包括研究星際塵埃行為及深空探測(cè)等微重力科學(xué)研究的重要問(wèn)題。此次空間實(shí)驗(yàn)得到了單倉(cāng)中顆粒氣體氣-液相轉(zhuǎn)變的相圖，并得到了顆粒氣體自由冷卻的規(guī)律，為相轉(zhuǎn)變條件的確定、團(tuán)簇生成原因和其他理論研究提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持。在世界上首次觀察到微重力環(huán)境下顆粒氣體的“麥克斯韋妖”現(xiàn)象，為顆粒耗散特性的研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

空間實(shí)驗(yàn)(和地面對(duì)比實(shí)驗(yàn))取得了微重力(和常重力)條件下的光滑平直加熱面上池沸騰傳熱曲線——確認(rèn)了微重力池沸騰臨界熱流劇減，且對(duì)應(yīng)壁面過(guò)熱度同樣減小，但沸騰起始時(shí)壁面過(guò)熱度和低熱流時(shí)沸騰傳熱系數(shù)與重力關(guān)聯(lián)微弱。以揭示氣泡熱動(dòng)力學(xué)與局部熱量傳輸間的耦合作用及其對(duì)傳熱性能的影響機(jī)制，理解沸騰傳熱內(nèi)在機(jī)理，服務(wù)航天事業(yè)與地面應(yīng)用。

通過(guò)環(huán)形液池模型對(duì)流實(shí)驗(yàn)，首次在國(guó)際上獲得了環(huán)形液池大曲率范圍熱毛細(xì)對(duì)流的臨界條件，并發(fā)現(xiàn)了環(huán)形液池?zé)崦?xì)對(duì)流的體積效應(yīng);首次系統(tǒng)地獲得該體系多模式對(duì)流、轉(zhuǎn)換形式，以及該體系分叉特征、轉(zhuǎn)捩途徑。該研究對(duì)拓展流體力學(xué)機(jī)理、促進(jìn)空間(熱)流體管理以及空間/地面晶體優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)都有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

通過(guò)熱厚材料微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，首次分析獲得了低速流動(dòng)中火焰?zhèn)鞑ツＪ降耐暾麍D譜，認(rèn)識(shí)了火焰對(duì)氣流的動(dòng)態(tài)響應(yīng);研究了熱厚材料的可燃邊界即火焰冷熄極限，火焰?zhèn)鞑ズ蛣?dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的傳熱機(jī)制。揭示熱厚材料在微重力條件下的著火和燃燒特性，認(rèn)識(shí)、掌握環(huán)境流動(dòng)、氧氣濃度和材料形狀等因素的影響規(guī)律。促進(jìn)固體材料燃燒的理論和模型發(fā)展，改進(jìn)航天器材料可燃性評(píng)價(jià)方法。

成功實(shí)現(xiàn)了空間InAsSb晶體非接觸生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)非接觸生長(zhǎng)可明顯降低晶體缺陷密度，為提高材料的晶體質(zhì)量及電學(xué)性能提供了可行的途徑;得到了高質(zhì)量的InGaSb晶體，晶體組分沿軸向及徑向分布均勻，組分波動(dòng)小于2%;對(duì)于指導(dǎo)InGaSb地基制備工藝開發(fā)具有重要科學(xué)意義;利用微重力條件抑制浮力對(duì)流，Bi2Te3基熱電材料在空間實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)擴(kuò)散生長(zhǎng)，晶體組分宏觀均勻性得到改善，晶體質(zhì)量獲得顯著提高;深入研究了Marangoni對(duì)流對(duì)Sn基合金溶質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程的影響，提出微觀物理模型，揭示了微重力環(huán)境下熔融凝固過(guò)程中的界面反應(yīng)機(jī)理及微結(jié)構(gòu)形成規(guī)律。

完成了12天的空間家蠶胚胎培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境影響家蠶胚胎和幼蟲的發(fā)育;綜合利用基因組和功能基因研究的最新手段和方法，首次發(fā)掘了一批受空間環(huán)境影響的家蠶基因，有利于家蠶新品種的開發(fā)，有重要的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。

利用典型的長(zhǎng)日與短日植物(擬南芥和水稻)光周期誘導(dǎo)開花特點(diǎn)，研究了空間微重力條件下光周期誘導(dǎo)開花作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)微重力條件下植物的向光性減弱，為進(jìn)一步研究向重性與向光性之間的關(guān)系提供了直接證據(jù);首次實(shí)現(xiàn)在軌熱激啟動(dòng)的開花基因表達(dá)，人工導(dǎo)入的開花基因空間表達(dá)仍呈現(xiàn)晝夜節(jié)律變化，但變化的幅度小于地面，表明微重力可能抑制開花相關(guān)的生物鐘基因的表達(dá)，為揭示植物開花調(diào)控機(jī)制開辟了一條新的途徑;認(rèn)識(shí)了微重力參與調(diào)控植物光周期開花反應(yīng)關(guān)鍵基因的表達(dá)規(guī)律，為人工操控空間植物的生長(zhǎng)過(guò)程，建立高效、優(yōu)質(zhì)的空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)打下了理論基礎(chǔ)。

在國(guó)際上首次獲得太空條件下小鼠早期胚胎發(fā)育的實(shí)時(shí)攝影圖片，首次證明了太空微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎能夠在體外完成從2-細(xì)胞到囊胚發(fā)育的全過(guò)程。通過(guò)太空發(fā)育實(shí)驗(yàn)返回樣品與地面對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，找到了影響太空哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵因素，這為保障人類太空活動(dòng)中生殖健康提供科學(xué)依據(jù)。(作者：康琦、胡文瑞，康琦系“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師，胡文瑞系“實(shí)踐十號(hào)”首席科學(xué)家)