“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星

佘惠敏

2016年4月6日1時(shí)38分，我國(guó)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，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。這顆衛(wèi)星涉及了19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是迄今為止我國(guó)單次衛(wèi)星任務(wù)中空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及種類最多的。

在順利完成12天太空飛行后，“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星的回收艙于18日16時(shí)30分準(zhǔn)確降落在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)域，隨后被順利回收。

“實(shí)踐十號(hào)”傍晚從太空滿載而歸，科學(xué)家們忙著拆箱看寶貝，直到深夜。

10年的期待

“實(shí)踐十號(hào)”是一顆返回式衛(wèi)星。中國(guó)是繼美國(guó)和俄羅斯之后第三個(gè)掌握返回式衛(wèi)星技術(shù)的國(guó)家。

“這是中國(guó)第25顆返回式衛(wèi)星，我們準(zhǔn)備的時(shí)間有10年?！薄皩?shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院力學(xué)研究所研究員胡文瑞院士介紹，2006年發(fā)射并成功回收的“實(shí)踐八號(hào)”，是本次任務(wù)的前次任務(wù)。那時(shí)中國(guó)科學(xué)家就想在返回式衛(wèi)星上做更多更復(fù)雜的微重力實(shí)驗(yàn)，并曾篩選出了20個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但直到中科院開始空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)，這顆期待已久的科學(xué)衛(wèi)星才于2012年底成功立項(xiàng)。

中國(guó)科學(xué)家們?yōu)楹稳绱似诖⒅亓茖W(xué)實(shí)驗(yàn)？

微重力科學(xué)

微重力科學(xué)是力學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)的新興交叉學(xué)科，它主要研究在微重力環(huán)境中物質(zhì)的平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在微重力環(huán)境中，由地球重力產(chǎn)生的浮力、沉淀、壓力梯度等過(guò)程基本消失，這就為微重力科學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了極好的機(jī)遇，孕育了學(xué)術(shù)的重大突破。載人空間站和載人空間探索工程需要微重力科學(xué)的支撐，而微重力科學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了許多空間和地面的重大高新技術(shù)的發(fā)展。

空間科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮、中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員吳季介紹，地球上的物理現(xiàn)象都會(huì)受到地球重力的影響和制約，例如浮力、沉降和壓力梯度等，這讓我們難以探尋物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律，而宇宙空間的微重力環(huán)境可以幫助我們?nèi)コ@層重力面紗。

“重力消失，是一種極端物理?xiàng)l件。極端物理?xiàng)l件必然意味著重大突破。微重力涉及許多物理學(xué)重大問(wèn)題，比如引力波?！焙娜鹫f(shuō)，微重力環(huán)境的實(shí)驗(yàn)有望讓我們?cè)谥卮蠡A(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面取得突破性進(jìn)展。

中國(guó)空間站近幾年就要上天，空間站可以做很多微重力實(shí)驗(yàn)，為什么還要用返回式衛(wèi)星來(lái)做？

胡文瑞介紹，空間站的實(shí)驗(yàn)和返回式衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)各有特色，此前做實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，曾與我國(guó)載人航天工程的研究人員做過(guò)溝通，以避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)。返回式衛(wèi)星有一些空間站難以取代的優(yōu)點(diǎn)。比如返回式衛(wèi)星的微重力水平更高，可以達(dá)到10的負(fù)6次方重力水平，而空間站的微重力水平一般只能達(dá)到10的負(fù)3次方重力水平。

“‘實(shí)踐十號(hào)是我國(guó)首顆大規(guī)模無(wú)人微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星?！毙l(wèi)星系統(tǒng)總師、航天科技集團(tuán)第五研究院研究員趙會(huì)光說(shuō)，此次將需要精度最高的實(shí)驗(yàn)放在衛(wèi)星最好的部位，微重力水平可以優(yōu)于10的負(fù)6次方重力水平，而衛(wèi)星總體環(huán)境是10的負(fù)4次方重力水平。

返回式衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)成本也比空間站低。“美國(guó)運(yùn)一公斤載荷到空間站，要花費(fèi)2萬(wàn)美元。俄國(guó)用返回式衛(wèi)星做微重力實(shí)驗(yàn)，一公斤載荷的成本是4000歐元?！焙娜鹫f(shuō)。

對(duì)于做微重力環(huán)境下的生命科學(xué)類實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，返回式衛(wèi)星的機(jī)動(dòng)性能更好。生命科學(xué)類實(shí)驗(yàn)希望實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目裝載時(shí)間離火箭發(fā)射時(shí)間越近越好，這樣可以減少重力條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾?！皩?shí)踐十號(hào)”返回式衛(wèi)星可以做到在發(fā)射前8小時(shí)，最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)載荷才裝上衛(wèi)星，實(shí)驗(yàn)完成后也可以馬上回收相關(guān)裝置。但空間站做的微重力實(shí)驗(yàn)是有人操作實(shí)驗(yàn)，發(fā)射上天要優(yōu)先考慮載人航天需要，不管是最后裝星還是馬上回收，都很難做到?！耙郧靶l(wèi)星很少在發(fā)射之前還安排那么多事情，但這次為了實(shí)驗(yàn)需要，我們對(duì)加注時(shí)間做了調(diào)整。”衛(wèi)星運(yùn)載系統(tǒng)總指揮、航天科技集團(tuán)第八研究院研究員談學(xué)軍說(shuō)。

此外，我國(guó)返回式衛(wèi)星是雙艙，與俄羅斯的單艙返回式衛(wèi)星相比，我們可以在其中一個(gè)艙做比較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)而不必?fù)?dān)心影響到另一個(gè)艙。比如在“實(shí)踐十號(hào)”上，就加載了比較“危險(xiǎn)”的燃燒類實(shí)驗(yàn)。

15天的綻放

“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為15天，為了這15天的綻放，科學(xué)家們對(duì)它進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

衛(wèi)星有留軌艙和回收艙兩個(gè)艙，將在軌道上利用太空中微重力等特殊環(huán)境完成19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射效應(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)六大領(lǐng)域。

這次“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星研制，雖然時(shí)間緊任務(wù)重，參與者卻非常興奮，因?yàn)椤懊總€(gè)項(xiàng)目都有很有意思的設(shè)計(jì)，有潛在的非常重要的科學(xué)意義和應(yīng)用意義”。

例如，由清華大學(xué)和華中科技大學(xué)兩家單位負(fù)責(zé)的微重力條件下煤粉/煤粒燃燒實(shí)驗(yàn)，就對(duì)節(jié)能減排具有重要意義?！熬唧w煤燃燒過(guò)程如果研究清楚了，可以改進(jìn)地面煤燃燒效果。”胡文瑞說(shuō)。

至于導(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)，胡文瑞說(shuō)：“這兩項(xiàng)燃燒實(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，建立我國(guó)自己完整的航天防火規(guī)范服務(wù)。這將對(duì)未來(lái)我國(guó)空間站的防火問(wèn)題起到重要作用。”

此外，科研人員還將首次開展微重力條件下的造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞三維培養(yǎng)研究、哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究等，為人類疾病的有效預(yù)防以及長(zhǎng)期空間活動(dòng)的生殖發(fā)育健康和繁衍等提供科學(xué)依據(jù)，通過(guò)揭示空間微重力環(huán)境對(duì)生命體生理穩(wěn)態(tài)的影響規(guī)律及其機(jī)理，為未來(lái)載人航天的發(fā)展提供必要的基礎(chǔ)支撐。

為了這15天的綻放，在衛(wèi)星技術(shù)方面，“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星的分系統(tǒng)也得到了較大的技術(shù)改進(jìn)?！斑@次衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)有很多新需求，我們以集成創(chuàng)新方式，提出了新需求的新解決方案?！壁w會(huì)光介紹，作為我國(guó)新一代返回式衛(wèi)星，“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了三大技術(shù)飛躍：一是姿態(tài)控制采用小發(fā)動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)的推力器，可以保證較好的衛(wèi)星微重力水平；二是以與國(guó)際接軌的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)替代原先的程序控制器，使得遙控指令和遙測(cè)數(shù)據(jù)的安排以及改變飛行程序的數(shù)據(jù)注入都更加靈活；三是增設(shè)流體回路的熱控分系統(tǒng)，使衛(wèi)星回收艙內(nèi)部的熱能有效排到星外，以確保生物樣品的溫度環(huán)境。

令人驚喜的優(yōu)秀生

“實(shí)踐十號(hào)”能否揭開重力的面紗，幫助中國(guó)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)物理和生命的本質(zhì)奧秘？在接下來(lái)12天的太空之旅中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，它是一個(gè)令人驚喜的優(yōu)秀生！

首先是各項(xiàng)在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分理想。

在軌運(yùn)行12天，“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星中搭載的19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，按照既定在軌實(shí)驗(yàn)實(shí)施細(xì)則有序開展，遙測(cè)、數(shù)傳數(shù)據(jù)完整。衛(wèi)星下傳的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包括視頻、圖像以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)也得到了與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的衛(wèi)星參數(shù)，如衛(wèi)星留軌艙和返回艙的3軸統(tǒng)計(jì)微重力水平、衛(wèi)星艙內(nèi)溫度等。

“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總工程師、中科院動(dòng)物研究所研究員段恩奎說(shuō)，依據(jù)對(duì)衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)中已獲得的空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步分析，“實(shí)踐十號(hào)”返回式微重力衛(wèi)星科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利，總體達(dá)到了預(yù)期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，取得了預(yù)期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，“一些新實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象已超越國(guó)際上對(duì)微重力環(huán)境下其結(jié)果的預(yù)言”。

此外，“實(shí)踐十號(hào)”上的實(shí)驗(yàn)還能進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

有10個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家看到衛(wèi)星下傳的科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，提出了優(yōu)化調(diào)整需求，通過(guò)與技術(shù)、工程團(tuán)隊(duì)的通力合作，利用預(yù)案變更途徑和應(yīng)急注入等手段，對(duì)其負(fù)責(zé)的在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次優(yōu)化與調(diào)整，改變了空間實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得了更為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在衛(wèi)星回家之前，我國(guó)科學(xué)家已通過(guò)“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星下傳的實(shí)驗(yàn)圖像看到一項(xiàng)重大科研成果。

“我們?cè)谌蚴状螌?shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物胚胎在太空的發(fā)育?！毙l(wèi)星中搭載的胚胎培養(yǎng)箱負(fù)責(zé)人段恩奎非常高興地說(shuō)，團(tuán)隊(duì)在全球第一次于地面上得到了小鼠胚胎在太空發(fā)育的清晰照片。

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的“微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究”項(xiàng)目，攜帶著數(shù)千枚2細(xì)胞小鼠早期胚胎，于4月6日搭乘“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星升空。衛(wèi)星上天十幾小時(shí)后，從發(fā)回的照片上，研究人員發(fā)現(xiàn)小鼠細(xì)胞開始分裂發(fā)育，從2細(xì)胞到4細(xì)胞、8細(xì)胞、16細(xì)胞……到60小時(shí)后，有些小鼠細(xì)胞已發(fā)育成囊胚。

段恩奎說(shuō)，太空中的動(dòng)物繁衍實(shí)驗(yàn)，此前只做成過(guò)果蠅、金鳉魚等非哺乳類動(dòng)物，但哺乳動(dòng)物胚胎在太空發(fā)育的研究，一直未獲成功。1996年，美國(guó)NASA在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上曾搭載了49枚小鼠2細(xì)胞和8細(xì)胞胚胎，但等衛(wèi)星回收后再觀察，這些胚胎沒(méi)有一個(gè)發(fā)育。2006年，中國(guó)的“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星在完成主要任務(wù)航天育種實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，順帶加上了段恩奎參與的小鼠胚胎發(fā)育實(shí)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)讓我國(guó)建立起一套太空胚胎成像系統(tǒng)，照片順利傳回地面，但沒(méi)有看到小鼠胚胎細(xì)胞在太空中的發(fā)育。

為了本次搭載實(shí)驗(yàn)，研究人員歷經(jīng)10年，用了幾萬(wàn)枚胚胎做了上百次的實(shí)驗(yàn)，研制出一套適合胚胎在太空發(fā)育的密閉培養(yǎng)系統(tǒng)。技術(shù)人員也提供了更優(yōu)良的條件，中科院上海技術(shù)物理所的張濤等人將設(shè)備齊全的“實(shí)驗(yàn)室”濃縮成一個(gè)17公斤重、僅有家用微波爐大小的培養(yǎng)箱。衛(wèi)星發(fā)射流程也進(jìn)行了優(yōu)化，小鼠的2細(xì)胞胚胎樣品是在衛(wèi)星發(fā)射前8小時(shí)安裝進(jìn)去的，最大程度保障了實(shí)驗(yàn)不受地面因素干擾。

現(xiàn)在，衛(wèi)星已經(jīng)返回地面，段恩奎表示，收回的樣本已被送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步分析，判斷太空環(huán)境是促進(jìn)還是抑制了胚胎的發(fā)育，其機(jī)理又是什么。

即將收獲的重要成果

“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星有兩個(gè)艙：回收艙和留軌艙?；厥张摲祷睾?，衛(wèi)星留軌艙繼續(xù)在軌工作。目前留軌艙全部8個(gè)項(xiàng)目的空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃已排定。煤燃燒實(shí)驗(yàn)按照預(yù)定的方案主要在留軌段完成；其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各有1～2次的空間實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，完成預(yù)定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及開展部分拓展實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星留軌段讓我們有機(jī)會(huì)開展危險(xiǎn)性、拓展性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它將是對(duì)前期在軌段實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。期間，科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍通過(guò)衛(wèi)星原遙測(cè)、數(shù)傳發(fā)射機(jī)下傳。

而搭載“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星回收艙返回地球的科學(xué)樣品涉及11項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中2項(xiàng)為微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，剩余9項(xiàng)為空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，涉及領(lǐng)域包括：微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間輻射生物學(xué)效應(yīng)、重力生物學(xué)效應(yīng)、空間生物技術(shù)等。

這些實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人都迫不及待地來(lái)到內(nèi)蒙古回收現(xiàn)場(chǎng)，接收他們的寶貝成果。

回收“植物培養(yǎng)箱”的上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所研究員蔡偉明說(shuō)，他們培養(yǎng)的是模式植物，項(xiàng)目屬于重力生物學(xué)范疇，研究植物怎么感受失重，怎么把這種物理刺激變成生物化學(xué)信號(hào)傳下去，會(huì)產(chǎn)生什么影響。

“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞壁會(huì)受微重力環(huán)境影響，變得松弛。植物在地球上從沒(méi)接觸過(guò)微重力環(huán)境，面對(duì)新環(huán)境，它產(chǎn)生了新的適應(yīng)。這個(gè)新發(fā)現(xiàn)為我們研究生物適應(yīng)性提供了新依據(jù)，我們還將根據(jù)回收樣品做進(jìn)一步分析研究?！辈虃ッ髡f(shuō)。

浙江大學(xué)教授王金福此次來(lái)回收“骨髓培養(yǎng)箱”，這是浙江大學(xué)和中科院空間科學(xué)院的合作項(xiàng)目。

“宇航員進(jìn)入太空后回來(lái)，骨質(zhì)變化很厲害，一個(gè)宇航員在太空一個(gè)月丟失的骨質(zhì)相當(dāng)于孕婦一年丟失的骨質(zhì)?！蓖踅鸶Ｕf(shuō)，這次研究的目標(biāo)，就是在真實(shí)空間看人的骨細(xì)胞分化能力與地面比較會(huì)有什么變化？導(dǎo)致分化能力變化的原因是什么？關(guān)鍵的細(xì)胞信號(hào)分子是什么？這樣可以有針對(duì)性地開發(fā)出新藥物，促進(jìn)骨細(xì)胞生殖，維持骨質(zhì)平衡。

中科院力學(xué)研究所研究員徐升華來(lái)回收中歐合作項(xiàng)目“Soret實(shí)驗(yàn)箱”和“Soret控制箱”，這個(gè)研究微重力環(huán)境下石油組分熱擴(kuò)散效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)石油開采有應(yīng)用價(jià)值，“一個(gè)深海油田的油井，打井費(fèi)用上億元。在微重力環(huán)境下對(duì)石油組分熱擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行研究，可以排除地面重力因素干擾，精確測(cè)量相應(yīng)的Soret系數(shù)，進(jìn)而幫助建立模型，對(duì)地底石油組分分布和油氣界面位置進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，提高石油開采效率，減少開采成本”。

無(wú)論是回收艙還是留軌艙，這19項(xiàng)實(shí)驗(yàn)將有不少后續(xù)處理和研究分析工作，它們將帶來(lái)一大波具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大創(chuàng)新科技成果，幫助科學(xué)家們突破生物技術(shù)、高新材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域的難題。