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中国空间站天和核心舱发射成功 中科院助力打造“太空实验室”

2021-04-30 重大科技任务局 科学传播局 空间应用工程与技术中心
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[video:20210429中国空间站首舱“天和核心舱”发射入轨 中国空间站将展开九大领域上千项实验]

  4月29日,中国空间站天和核心舱成功发射入轨,标志着我国空间站建造进入全面实施阶段,为后续任务展开奠定了坚实基础。

  建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题,是我国载人航天工程“三步走”发展战略中第三步任务目标。空间站是航天员的“太空之家”,也是科学研究的“太空实验室”,空间站的建设和运营体现着一个国家的航天综合实力,也体现着一个国家的科技发展水平。

  极端物理条件下,物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能会发生变化,这意味着重大科学突破的可能。中国空间站作为国家级太空实验室,在舱内、舱外部署了众多重大科学设施,同时利用微重力和辐射环境、航天员较长在轨驻留、天地往返等优势,开启中国空间科学研究与应用新时代。

  由中国科学院牵头负责的空间应用系统,目前在空间站天和、问天、梦天三个舱段舱内共安排了13个科学实验柜,每个实验柜都是一个高功能密度的太空实验室,可支持一个或多个方向的空间科学与应用研究。空间站舱外还安排了若干暴露实验平台,同时巡天空间望远镜与空间站共轨飞行。这些重大设施可支持在轨实施空间生命科学与生物技术、微重力流体物理和燃烧、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理等9个学科领域30余个研究主题的科学研究,空间站在轨运营10年以上时间,预计可滚动实施近千项实验项目。

  此次随天和核心舱发射入轨的重大科学设施主要包括无容器材料实验柜、高微重力科学实验柜等。

  无容器是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力,从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。无容器避免了坩埚等实验容器的器壁对材料表面的接触和污染,能够抑制异质形核(依附于液态金属中某些杂质质点或者某些面形核),获得深过冷(在很大过冷度下仍维持为液态)。空间的无容器还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层,利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备,利于熔体材料参数测量。无容器技术对微重力环境下金属和非金属无容器深过冷凝固过程与机理研究、具有重大应用背景的新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究具有重要意义。

  无容器材料实验柜通过静电悬浮技术实现无容器材料科学实验,温度可达3000℃,可进行金属、非金属等无容器加工研究,揭示地面重力环境难以获知的材料结晶、玻璃化、凝固、形核机理,获得先进材料的空间制备技术和生产工艺关键条件,指导地面材料加工工艺的改进与发展。

  在轨道上运行航天器所受到的地球引力和离心力平衡,理想情况下航天器上安装的科学实验载荷感受不到重力,处于无重力状态。但实际上,由于太阳光压、大气阻力、重力梯度、潮汐等不平衡力导致准稳态加速度,航天器中活动部件的运动、储箱中推进剂的晃动以及柔性结构振动将激起微振动,瞬时变轨、调姿、航天员的运动产生瞬时加速度,这些因素将导致航天器偏离无重力状态,形成微重力环境。可见,影响航天器微重力环境的因素非常复杂,对微重力水平影响也有很大差别,存在很多不可预知的因素,由此带来的微重力变化也将在不同程度上影响空间科学实验。

  高微重力科学实验柜首创采用双层悬浮隔离振动,可实现比空间站平台高2~3个数量级的高微重力水平,可开展相对论物理与引力物理、流体动力学及其应用、材料制备机理等前沿科学研究。其核心工作模式有两种:在柜内开展磁悬浮实验时,内体与悬浮实验台外体无任何物理接触,独立飘浮在空中,外体通过无线传能技术对内体进行供电、通过电磁力对其进行六自由度控制、通过WiFi进行信息传输,内体可获得比平台微重力环境高2~3个数量级的微重力水平。开展柜外喷气悬浮微重力实验时,航天员将悬浮实验台从柜内取出,在舱内释放,悬浮实验台通过观察柜上靶标,获得自身位置和姿态,通过微推喷气进行六自由度保持控制。悬浮实验台外体通过微推喷气,精确跟随内体运动,隔离舱内空气流动等环境扰动对内体科学实验装置的影响,实现10-7g量级微重力水平。利用高微重力科学实验柜提供的实验条件,将开展国际前沿的空间冷原子干涉实验,检验爱因斯坦等效原理,达到10-12精度水平。

  在核心舱任务中,空间应用系统还研制了应用信息与配电、应用流体回路、空间环境要素监测、大型载荷挂点对接装置等支持设备,建立应用任务在轨共用支持条件,为应用任务在轨运营提供支撑和保障;建设和运行天地支持系统,为应用项目的论证、研制、运营和持续产出高水平成果提供全寿命周期支持,推动我国空间科学与应用水平整体跨上新台阶。

无容器材料实验柜

高微重力科学实验柜

打印 责任编辑:任霄鹏

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