首個航天日意義非凡 一窺天宮二號堂奧

出品：科普中國

製作：中國科學院力學研究所 康琦 段俐

幻彩寶寶科普創新公社 武瑞雪

監製：中國科學院計算機網路信息中心

國務院日前批複同意，自2016年起,將每年4月24日設立為「中國航天日」。

中國設立第一個航天日，意義深遠。今年我國在航天領域將有一系列「大動作」，特別是2016年下半年，我國即將發射天空二號空間實驗室，開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的空間科學和應用實驗，打造我國第一個真正意義上的空間實驗室。

那麼問題來了，天宮二號究竟什麼來頭？我們為什麼要把實驗室搬到太空里？在這個神秘的實驗室中將進行哪些神奇的科學實驗？

空間實驗室VS空間站

與普通的衛星不同，天宮二號是承擔著科學實驗任務的空間實驗室。那麼，什麼叫空間實驗室呢？

空間實驗室，顧名思義，就是建造在太空中的實驗室。

這種特殊的實驗室由無人空間實驗室和載人宇宙飛船兩部分組成。需要先發射無人空間實驗室，然後再用運載火箭將載人飛船送入太空，與停留在軌道上的實驗室交會對接。接下來，航天員會從飛船中進入空間實驗室，開展工作，完成工作後再乘飛船返回地球。

遵循這一思路，我國建造空間實驗室的第一步就是發射天宮二號，之後會發射長征七號/五號運載火箭將神舟十一號載人航天飛船送入太空，與天宮二號對接,從而完成空間實驗室的建造。

圖1 天宮二號空間實驗室模型

那麼，空間實驗室與空間站又有什麼區別呢？天宮二號發射以後是不是意味著我國即將擁有空間站了呢？

事情當然沒有那麼簡單：空間站是指可供多名航天員巡訪、長期工作和居住生活的載人航天器。比較著名的空間站包括前蘇聯發射建造的禮炮系列空間站（據說,因為當年美國先於前蘇聯在月球上插了國旗，霸氣的前蘇聯大哥就一氣之下建造了人類歷史上第一座空間站）與和平號空間站，由美國、俄羅斯、日本、加拿大、巴西和歐洲空間局（ESA）共同建造的國際空間站（果然是「人多力量大」，這也是目前人類擁有過的規模最大的空間站）。

空間站最大的特點就是規模和體積龐大、在軌運行的時間久，比如鼎鼎大名的國際空間站至今已經為人類工作了16個年頭。

圖2 國際空間站

而空間實驗室更像是空間站的前身，是為發展空間站，從載人飛船過渡到載人航天基礎設施的試驗性航天器。也就是說，空間實驗室是為建造複雜程度更高的空間站所做的準備工作。

理論研究和實踐經驗都表明，發射空間實驗室是建造空間站的重要前提和技術保障。空間實驗室的發射，可對空間站的關鍵技術進行試驗，獲取經驗，降低風險，為建造空間站打基礎。所以，天宮二號的即將發射，並不能意味著我國即將擁有屬於自己的空間站了，只能說將會為建造空間站奠定良好的基礎，空間實驗室並不等同於空間站。

天宮二號上「不明覺厲」的太空實驗

天宮二號作為我國首個真正意義上的空間實驗室，搭載的實驗項目達到了史無前例的14項，它也即將成為我國「最忙碌」的空間實驗室。

能夠拿到登上天宮二號的「入場券」，這些實驗無疑都屬於當今世界最前沿的探索領域。比如，中科院力學所此次承擔的「熱毛細對流」研究項目。該項目將同時搭建太空和地面兩個實驗平台進行實驗研究，天宮二號熱毛細對流空間實驗項目主任設計師、中國科學院力學研究所康琦研究員對該項目進行了解釋。

圖3 天宮二號熱毛細對流空間實驗項目主任設計師、中國科學院力學研究所康琦研究員

首先，什麼是熱毛細對流現象呢？

康琦研究員解釋說，熱毛細對流，是一種與流體表面或者界面相關的熱對流現象。眾所周知，在流體的交界面上存在著分子與分子之間的相互作用力，也就是表面張力，而隨著溫度的變化，表面張力的大小也會發生相應的變化。所以，當流體交界面上的溫度分布不均勻時，就會造成在不同的位置表面張力的大小不同，從而形成驅動流體流動的現象，就是熱毛細對流。地面晶體生長受浮力對流的影響而產生缺陷，空間晶體生長受熱毛細對流影響，缺陷也時有發生。研究熱毛細對流問題在實際工業生產中對於提高結晶晶體的質量具有重要意義，比如我們想生產出高質量的半導體材料，就要科學控制單晶硅在晶體生長過程中浮力對流和熱毛細對流的影響。

圖4 熱毛細對流現象原理示意圖

既然熱毛細對流現象廣泛存在與實際生產和生活當中，那又為什麼一定要不遠萬里到太空中研究熱毛細對流現象？

答案是由於太空特有的微重力環境。

我們都知道，在太空中物體是幾乎不受重力作用的，微重力環境也就是指重力接近於零的環境條件。在這種條件下，浮力對流將會大大減小，那些影響我們研究熱毛細對流現象的阻礙因素都會被無限縮小，也就是說可以將熱毛細對流的真實過程進行真實地展現，從而有利於科學家進行更加深入的剖析和探索。

所以說，不遠萬里把實驗項目送入太空完成，絕不是在浪費納稅人的錢，而是為了看清熱毛細對流現象的「真面目」，科學家們也真的是蠻拼的。

圖5 天宮二號液橋熱毛細對流空間實驗項目部分實驗裝置

同樣的實驗為什麼天上地下各做一遍？

前面提到，除了隨天宮二號「上天」的實驗裝置，在地面還預先設置了相同的實驗裝置，同樣的實驗做兩遍又是什麼原因呢？天宮二號熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員對此作出了解答。

段俐研究員解釋道，由於空間實驗機會少、成本較高，而且熱毛細對流現象與其影響因素之間的關係並不是用簡單公式就可以準確描述的，所以需要進行地面實驗，為空間實驗的順利進行提供科學合理的參考範圍。此次實驗中，空間實驗室與地面實驗室所採用的實驗裝置是相同的，即一種叫做「液橋」的實驗儀器。

圖6 液橋實驗裝置示意圖

上圖是液橋模型的簡要示意，液體位於上下兩個橋柱之間，控制上下兩個橋柱之間的溫度差，在液體內部形成熱毛細對流。

但是，由於重力的存在，地面實驗無法建立大尺寸的液橋模型，通常採用小尺寸（4-5mm直徑）液橋，但依然受到浮力對流的影響，這也是科學家要將其送入太空研究的原因所在。

地面實驗為太空實驗提供數據參考，太空實驗完成地面實驗無法實現的範圍，二者相輔相成，缺一不可。

圖7 天宮二號熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員

2011年，天宮一號的成功發射讓億萬華夏兒女熱血沸騰，如今天宮一號「功成身退」，天宮二號即將「接力上崗」，並將開創中國空間應用技術的新紀元。

2016年作為我國「十三五」的開局之年，除了天宮二號，長征七號/五號火箭、天舟一號貨運飛船也將於今年陸續發射，在此基礎上，中國將在2020年前後建成永久性空間站，並在2022年全面運行。隨著科技實力的不斷增強，中國正在實現由航天「大」國到航天「強」國的華麗轉身。讓我們一起期待。

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