微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
——“實(shí)踐十號(hào)”*

康 琦 胡文瑞

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 北京 100190

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微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星
——“實(shí)踐十號(hào)”*

康 琦 胡文瑞**

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 北京 100190

摘要北京時(shí)間 2016 年 4月6日1時(shí) 38 分 04 秒，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，“長(zhǎng)征”二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射，在 559 秒后將中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列第二顆星——“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入高度約250 km 的圓軌道，衛(wèi)星發(fā)射取得圓滿成功。“實(shí)踐十號(hào)”衛(wèi)星在太空運(yùn)行15天，裝載著 19 項(xiàng)科學(xué)設(shè)施，共 28 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射生物效應(yīng)、重力生物學(xué)效應(yīng)和空間生物技術(shù) 6 大方向。衛(wèi)星的返回艙裝載著全部9項(xiàng)生物學(xué)設(shè)備以及空間材料科學(xué)多功位爐和流體物理中的輸運(yùn)系數(shù)測(cè)量裝置；而留軌艙中裝載著其他 8 項(xiàng)微重力科學(xué)設(shè)施。

關(guān)鍵詞科學(xué)衛(wèi)星，“實(shí)踐十號(hào)”，微重力科學(xué)，空間生命科學(xué)，返回式衛(wèi)星

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.05.011

*資助項(xiàng)目：中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04020400、XDA040 20202）

** 通訊作者

修改稿收到日期：2016年4 月23日

“實(shí)踐十號(hào)”（SJ-10）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。微重力科學(xué)主要研究微重力（低重力）環(huán)境下物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及重力變化對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。空間生命科學(xué)研究地球生物在空間環(huán)境中的生物學(xué)規(guī)律，以及生命在宇宙中的起源、進(jìn)化和分布。從人類將第一個(gè)航天器以及第一位宇航員送入太空開始，微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)今，國(guó)際空間站（ISS）依然是國(guó)際空間活動(dòng)的主要熱點(diǎn)之一，它是一個(gè)由多個(gè)國(guó)家和組織聯(lián)合實(shí)施的有人長(zhǎng)期駐留、操作的大型空間實(shí)驗(yàn)室，微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)及航天醫(yī)學(xué)等是其主要研究?jī)?nèi)容。2013 年末，美國(guó)航空航天局（NASA）評(píng)選出國(guó)際空間站十大科學(xué)成就，其中 2 項(xiàng)屬于微重力科學(xué)研究、3 項(xiàng)屬于生命科學(xué)研究。俄羅斯也與歐空局（ESA）合作，用其專門的Foton-、Bio-系列返回式衛(wèi)星共同開展微重力科學(xué)和生命科學(xué)研究。此外，探空火箭、拋物線失重飛機(jī)以及地面短時(shí)微重力落塔（落井）設(shè)施也是各航天大國(guó)進(jìn)行微重力科學(xué)研究的常規(guī)手段。前期，我國(guó)微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)研究主要通過各種搭載途徑開展，在返回式衛(wèi)星、“神舟”系列飛船等航天器上都曾開展過相關(guān)研究，但搭載機(jī)會(huì)及其可利用的航天器資源依然十分有限。

我國(guó) SJ-10 衛(wèi)星工程于 2012 年 12 月 31 日正式啟動(dòng)。工程利用 SJ-10 返回式衛(wèi)星提供的長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境及空間輻射條件，通過空間實(shí)驗(yàn)遙科學(xué)技術(shù)手段和樣品回收分析方法，圍繞微重力科學(xué)與空間生命科學(xué)研究的基本和熱點(diǎn)科學(xué)問題，特別是針對(duì)自我模型的提出和檢驗(yàn)、航天器技術(shù)及空間環(huán)境的利用、未來空間重大應(yīng)用及理論突破，開展多項(xiàng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)及技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。揭示在地面上因重力存在而被掩蓋的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生命活動(dòng)規(guī)律，認(rèn)識(shí)在地面上無法模擬的空間復(fù)雜輻射環(huán)境對(duì)生物體的作用機(jī)理。

SJ-10 衛(wèi)星共有 28 項(xiàng)微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究，整合為 19 項(xiàng)載荷任務(wù)。涉及領(lǐng)域包括：微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射生物學(xué)、重力生物效應(yīng)和空間技術(shù) 6 個(gè)學(xué)科方向。2016 年 4 月6 日 1 時(shí) 38 分 04 秒，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射，在 559 秒后將中國(guó)科學(xué)衛(wèi)星系列第二顆星——SJ-10 返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星送入高度約 250 km 的近圓軌道，衛(wèi)星發(fā)射取得圓滿成功。衛(wèi)星入軌后，各項(xiàng)載荷有序運(yùn)轉(zhuǎn)，共在太空開展 21 天科學(xué)實(shí)驗(yàn)。回收艙在軌工作 12 天后返回內(nèi)蒙古四子王旗落區(qū)，載荷及生物樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆解后攜帶返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后期處理。留軌艙原定繼續(xù)留軌工作 3—5 日，完成后續(xù)及拓展實(shí)驗(yàn)，實(shí)際繼續(xù)留軌工作 8 日。

1 微重力科學(xué)研究

SJ-10搭載的微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究抓住國(guó)際微重力科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的前沿——微重力流體物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)，立足于必須在空間這一長(zhǎng)微重力環(huán)境下才有可能認(rèn)識(shí)清楚的重要物理學(xué)過程，拓展人類對(duì)微重力極端環(huán)境下物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)知：對(duì)流、自組織和相變等各種過程，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律；微重力下材料著火、燃燒規(guī)律、煤燃燒機(jī)理；我國(guó)特色的新材料樣品在微重力下的生長(zhǎng)和凝固過程。結(jié)果數(shù)據(jù)將有利于改善、優(yōu)化地面和空間工程流體和熱能機(jī)械、材料加工過程和工藝，獲得在地面重力場(chǎng)中難以生長(zhǎng)的高品質(zhì)材料，為我國(guó)載人航天器安全及能源、減排等國(guó)家重大需求提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1 微重力流體物理

1.1.1 蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目

蒸發(fā)相變和流體界面流動(dòng)是流體物理的基本現(xiàn)象之一，涉及天基和地基熱機(jī)械和生?？刂葡到y(tǒng)等相關(guān)的工程應(yīng)用與技術(shù)開發(fā)。本項(xiàng)目利用空間長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境研究蒸發(fā)相變界面的熱質(zhì)傳輸特性，在軌觀測(cè)液滴蒸發(fā)過程，揭示蒸發(fā)效應(yīng)與表面張力驅(qū)動(dòng)對(duì)流的相互作用機(jī)制，建立界面流體動(dòng)力學(xué)與傳熱理論模型。以期獲得寶貴的空間環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展流體復(fù)雜界面動(dòng)力學(xué)與相變傳熱理論，為載人航天等航天工程中的空間熱流體設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論支撐，獲得微重力環(huán)境中相變傳熱基本現(xiàn)象和特殊規(guī)律的研究結(jié)果。

1.1.2 顆粒流體氣液相分離空間實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目

顆粒物質(zhì)團(tuán)簇形成機(jī)制是包括星際塵埃行為及深空探測(cè)等在內(nèi)的微重力科學(xué)研究的重要問題，微重力環(huán)境是實(shí)驗(yàn)觀察顆粒氣體形成及研究其本征行為的必要條件。本項(xiàng)目利用衛(wèi)星較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定微重力環(huán)境，系統(tǒng)地研究顆粒物質(zhì)團(tuán)簇形成條件、弛豫冷卻過程，建立完善的理論模型，并建立可能的空間顆粒輸運(yùn)、存儲(chǔ)新方法。此次實(shí)驗(yàn)為國(guó)際首次對(duì)顆粒團(tuán)簇行為（包括麥克斯韋妖現(xiàn)象）進(jìn)行系統(tǒng)空間實(shí)驗(yàn)，期望獲得對(duì)顆粒聚集行為的系統(tǒng)觀察，得以利用顆粒物質(zhì)內(nèi)稟特性，建立空間儲(chǔ)存、運(yùn)輸和操作的新方法。

1.1.3 微重力沸騰過程中的汽泡動(dòng)力學(xué)特征研究項(xiàng)目

利用空間微重力環(huán)境增大沸騰現(xiàn)象中氣泡生長(zhǎng)過程的時(shí)間和空間尺度，認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)氣泡周圍細(xì)觀運(yùn)動(dòng)與加熱器三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)演化特征，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。微重力條件下，重力作用被極大削弱，氣泡脫離加熱表面的驅(qū)動(dòng)力減弱，會(huì)增加氣泡熱動(dòng)力過程的時(shí)間和空間尺度，凸顯液-氣-固三相界面附近細(xì)觀流動(dòng)與傳熱結(jié)構(gòu)特征，從而方便對(duì)過程細(xì)觀機(jī)理的深入研究，有利于認(rèn)識(shí)生長(zhǎng)氣泡周圍細(xì)觀流動(dòng)、氣泡底部干斑與微液層演化以及加熱器內(nèi)部三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)演化等過程特征。利用SJ-10 提供的長(zhǎng)期、穩(wěn)定的空間微重力環(huán)境開展單氣泡池沸騰實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果將加深對(duì)沸騰傳熱機(jī)理的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展。

1.1.4 熱毛細(xì)對(duì)流表面波空間實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目

熱毛細(xì)對(duì)流是空間微重力環(huán)境中自然對(duì)流的主要形式，其對(duì)流模式及不穩(wěn)定性表現(xiàn)的極為復(fù)雜。借鑒提拉法晶體生長(zhǎng)方法，本項(xiàng)目采用環(huán)形液池實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯课⒅亓Νh(huán)境中熱毛細(xì)對(duì)流的表面波問題，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。地面環(huán)境由于浮力的作用，使流體界面問題研究受到極大的局限，特別是重力使流體體積效應(yīng)研究完全不可能。本項(xiàng)目首次提出環(huán)形液池體系對(duì)流失穩(wěn)可能極大地受到液面形貌及液體體積比的影響，采用空間注液控制方法，進(jìn)行系列體積比科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.1.5 膠體有序排列及新型材料研究項(xiàng)目

流體在重力作用下會(huì)出現(xiàn)包括浮力對(duì)流、靜壓力不均勻分布和沉淀等物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在微重力條件下幾乎消失。作為一種公認(rèn)的理想模型系統(tǒng)，微重力條件下，膠體系統(tǒng)中的膠體球沒有重力沉降作用，可提供準(zhǔn)確的局域結(jié)構(gòu)信息。浮力對(duì)流受到較大抑制，沒有流體靜壓力，不產(chǎn)生沉降作用，這為進(jìn)行界面上的自組織原位觀察提供了有利條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將是首次觀察到空間膠體粒子自組裝動(dòng)力學(xué)過程，并獲得粒子排列過程，研究微重力條件下的自組裝機(jī)制；并將首次驗(yàn)證純熵驅(qū)動(dòng)的相變機(jī)制。

1.1.6 微重力條件下石油組分熱擴(kuò)散特性的研究項(xiàng)目

原油索雷特系數(shù)（Soret Coefficients in Crude Oil，SCCO）項(xiàng)目是一個(gè)已持續(xù)多年的國(guó)際合作項(xiàng)目，已有加拿大、歐洲、俄羅斯等多個(gè)國(guó)家或地區(qū)參與，曾在俄羅斯的Foton M2 和 Foton M3 返回式衛(wèi)星上進(jìn)行了多次空間微重力實(shí)驗(yàn)。本次中歐合作項(xiàng)目“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”是國(guó)際上一系列的SCCO 研究項(xiàng)目之一，是以歐空局為主，利用中國(guó)的返回式衛(wèi)星，搭載歐方和中方共同研制的儀器設(shè)備，完成石油組分熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量。通過本項(xiàng)目的研究，將有望建立多組分與兩組分熱擴(kuò)散過程聯(lián)系的理論和物理模型，還將獲得不同組分的 Soret 系數(shù)的精確數(shù)據(jù)，從而可能幫助準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油田中石油組分分布和油氣界面位置，指導(dǎo)石油的開采并降低開采成本。

1.2 微重力燃燒

1.2.1 導(dǎo)線絕緣層著火早期煙的析出和煙氣分布研究項(xiàng)目

安全防火是發(fā)展載人航天必須妥善解決的最重要問題之一，典型電子電氣部件，是火災(zāi)隱患的主要源頭，本項(xiàng)目為發(fā)展微重力下的著火監(jiān)測(cè)和早期報(bào)警技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。本項(xiàng)目首次在長(zhǎng)時(shí)間的微重力環(huán)境下獲得導(dǎo)線在自身電流過載下的著火突變規(guī)律；首次在長(zhǎng)時(shí)間的微重力環(huán)境下獲得導(dǎo)線在自身電流過載下引起的絕緣層煙氣析出及其在受限空間中的分布規(guī)律；首次獲得長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境下過載電流大小、絕緣層厚度等因素對(duì)導(dǎo)線著火先期征兆的影響規(guī)律。

1.2.2 微重力下煤燃燒及其污染物生成特性研究項(xiàng)目

本項(xiàng)目的意義在于揭示煤在微重力條件下燃燒的基本現(xiàn)象，提高人們對(duì)煤燃燒基本特性和機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為修正現(xiàn)有模型和發(fā)展新模型提供更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)我國(guó)煤炭的清潔、高效和安全利用。地面微重力實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)間過短，不足以觀察煤粒的全燃燒過程和煤粉在燃燒室內(nèi)達(dá)到均勻分布，本項(xiàng)目將獲得在傳熱傳質(zhì)各向同性條件下煤粒及煤粉顆粒群著火燃燒全過程的基本現(xiàn)象和規(guī)律及低溫火焰特性，豐富燃燒學(xué)理論；獲得在微重力下我國(guó)典型煤種煤粉和煤粒燃燒等重要基礎(chǔ)參數(shù)；結(jié)合地面數(shù)據(jù)揭示浮力對(duì)煤燃燒作用的大小，為地面煤的高效低污染燃燒發(fā)展更為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

1.2.3 典型非金屬材料在微重力環(huán)境中的著火及燃燒特性研究項(xiàng)目

空間實(shí)驗(yàn)將獲得微重力環(huán)境中熱厚非金屬材料著火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘目煽繑?shù)據(jù)，促進(jìn)對(duì)熱厚材料在微重力條件下燃燒過程和火焰特性的深入理解，進(jìn)而為載人航天器材料防火性能評(píng)價(jià)的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。熱厚材料燃燒實(shí)驗(yàn)需要的微重力時(shí)間較長(zhǎng)，衛(wèi)星等航天器為其提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本項(xiàng)目突出載人航天器防火安全的應(yīng)用方向和固體材料燃燒機(jī)理的科學(xué)需求，通過包括空間實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的系統(tǒng)研究，將豐富和完善固體材料燃燒理論，并取得航天器火災(zāi)預(yù)防的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——材料防火性能評(píng)價(jià)的技術(shù)原理突破，直接服務(wù)于我國(guó)載人航天的工程實(shí)踐。

1.3 空間材料科學(xué)

空間材料科學(xué)項(xiàng)目主要開展熔體材料空間生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。在地面重力條件下，與流體相關(guān)的材料制備過程中，重力引起的對(duì)流、沉降和器壁效應(yīng)等將不可避免地影響材料質(zhì)量。通過微重力環(huán)境抑制溶質(zhì)對(duì)流，可獲得地面重力場(chǎng)中難以生長(zhǎng)出的高質(zhì)量材料，同時(shí)可探明地面重力效應(yīng)掩蓋的影響材料質(zhì)量和性能的一些次級(jí)效應(yīng)。希望通過在多功能爐中的空間材料實(shí)驗(yàn)，攻克在地面條件下材料制備中無法解決的難題，獲得在地面無法得到的高性能優(yōu)質(zhì)材料，開發(fā)新的材料制備工藝。另一方面，通過天地對(duì)比研究，揭示材料制備過程中的微觀機(jī)理和組分、結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象，豐富和發(fā)展材料科學(xué)理論，指導(dǎo)地面的材料制備和生產(chǎn)工藝。

2 空間生命科學(xué)研究

緊緊抓住國(guó)際空間生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的前沿——空間輻射生物效應(yīng)、重力生物效應(yīng)、空間生物技術(shù)，立足于必須在空間這一特定環(huán)境下才有可能認(rèn)識(shí)清楚的重要生物學(xué)過程，認(rèn)識(shí)上述 3 個(gè)空間生命科學(xué)領(lǐng)域有限目標(biāo)下的基本規(guī)律：（1）建立微重力環(huán)境影響植物、動(dòng)物、微生物等生命體生命活動(dòng)的理論基礎(chǔ)；（2）揭示微重力及空間輻射環(huán)境影響重要生物學(xué)過程的分子機(jī)制；（3）將理論應(yīng)用于動(dòng)物早期胚胎發(fā)育、干細(xì)胞生長(zhǎng)/分化、組織的三維構(gòu)建，發(fā)展空間生命科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和硬件裝置，為我國(guó)載人航天工程和空間站應(yīng)用等重大需求提供科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、技術(shù)。

2.1 空間輻射生物效應(yīng)

2.1.1 空間輻射誘變的分子生物學(xué)機(jī)制研究項(xiàng)目

為了深入分析空間輻射引起的生物學(xué)效應(yīng)，需要對(duì)空間粒子進(jìn)行更加精細(xì)的測(cè)量，得出精細(xì)的粒子譜分布、不同位置粒子的通量分布，以及不同粒子種類對(duì)輻射損傷和流量的貢獻(xiàn)，而空間環(huán)境提供極低劑量、可利用的高能粒子輻射環(huán)境。因此，本項(xiàng)目將根據(jù)預(yù)先測(cè)算，監(jiān)測(cè)模式生物接受空間輻射粒子的品質(zhì)和其誘發(fā)的系統(tǒng)生物學(xué)變化特征，挖掘空間輻射誘發(fā)生物體遺傳變異的誘因和生物損傷的分子機(jī)制，挖掘?qū)臻g輻射環(huán)境敏感的生物分子和空間環(huán)境引起生物學(xué)效應(yīng)的誘因，探索新的空間輻射生物計(jì)量評(píng)估技術(shù)，為載人航天中的深空探測(cè)任務(wù)和艙外暴露試驗(yàn)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1.2 空間輻射對(duì)基因組的作用和遺傳效應(yīng)研究項(xiàng)目

太空輻射的風(fēng)險(xiǎn)和防護(hù)研究迫在眉睫，但我國(guó)在此方面基礎(chǔ)還很薄弱。空間輻射與地面常規(guī)輻射有很大區(qū)別，地面模擬空間輻射也僅能模擬其某一方面的特點(diǎn)，無法模擬空間輻射的綜合效應(yīng)，且目前地面也無法真正有效模擬出太空中微重力的環(huán)境。因此，利用 SJ-10 返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在真正的空間環(huán)境中進(jìn)行該項(xiàng)目研究是十分必要的。利用項(xiàng)目組提出的野生型和輻射敏感的小鼠細(xì)胞和果蠅進(jìn)行上述研究國(guó)內(nèi)外尚無相關(guān)報(bào)道，研究將獲得原創(chuàng)性成果，為我國(guó)進(jìn)行太空輻射的風(fēng)險(xiǎn)和防護(hù)研究提供極有價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢測(cè)手段。

2.1.3 空間環(huán)境對(duì)家蠶胚胎發(fā)育的影響和變異機(jī)理研究項(xiàng)目

家蠶產(chǎn)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，新品種的推廣應(yīng)用和新型功能蛋白的開發(fā)都將極大地推動(dòng)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？臻g技術(shù)應(yīng)用于家蠶不僅能夠認(rèn)識(shí)動(dòng)物對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)性，還有望獲得新型的家蠶突變品系而有利于家蠶新品種的開發(fā)，有重要的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本項(xiàng)目利用宇宙空間這個(gè)特殊的環(huán)境，以家蠶作為模式生物，系統(tǒng)研究空間條件下家蠶基因表達(dá)的特征，并將這些研究結(jié)果和方法推廣到其他的生物研究之中，成為空間基礎(chǔ)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)，并為新品種的開發(fā)和相關(guān)機(jī)理的驗(yàn)證提供理論指導(dǎo)。

2.2 重力生物技術(shù)

2.2.1 微重力植物生物學(xué)效應(yīng)及其微重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究項(xiàng)目

空間飛行實(shí)驗(yàn)顯示，失重會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。從植物開始進(jìn)入失重狀態(tài)到產(chǎn)生生理和結(jié)構(gòu)方面的微重力效應(yīng)，需要經(jīng)歷失重刺激信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、傳輸、代謝調(diào)控等中間過程，這些過程組成了一個(gè)復(fù)雜的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步揭示介導(dǎo)微重力引發(fā)植物生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)理，獲得微重力對(duì)植物細(xì)胞壁代謝影響方面的新認(rèn)識(shí)，深入理解植物對(duì)微重力這一特殊環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)將有助于構(gòu)建受控生命支持系統(tǒng)，為利用植物開拓空間提供理論基礎(chǔ)。

2.2.2 空間微重力條件下光周期誘導(dǎo)高等植物開花的分子機(jī)理研究項(xiàng)目

在 SJ-10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的微重力實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)用典型的長(zhǎng)日與短日植物光周期誘導(dǎo)開花特點(diǎn)、利用熱激誘導(dǎo)啟動(dòng)子在軌誘導(dǎo)開花基因表達(dá)，來研究空間微重力條件下光周期誘導(dǎo)開花的作用機(jī)理，為闡明重力在光周期誘導(dǎo)植物開花中的作用提供新證據(jù)，為建立載人航天受控生命生態(tài)支持系統(tǒng)的品種培育、空間栽培提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。研究成果應(yīng)用主要有 3 個(gè)方面：（1）為從全新角度認(rèn)識(shí)重力在高等植物開花調(diào)控中的作用機(jī)制提供重要依據(jù)；（2）在國(guó)際上首次使用在軌微重力條件下熱激啟動(dòng)基因表達(dá)及實(shí)時(shí)熒光圖像觀察的方法與技術(shù)，所構(gòu)建的熱激啟動(dòng)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)熒光圖像系統(tǒng)，將為今后研究植物發(fā)育相關(guān)基因的在軌實(shí)時(shí)表達(dá)提供重要的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與分子生物學(xué)工具；（3）植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變過程的調(diào)控直接關(guān)系到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)、甚至物種的延續(xù)。本次實(shí)驗(yàn)獲得的空間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將應(yīng)用于載人航天受控生命生態(tài)支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并為空間植物培養(yǎng)提供理論依據(jù)。

2.2.3 微重力條件下細(xì)胞間相互作用的物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律研究項(xiàng)目

微重力條件下，物質(zhì)交換環(huán)境的改變所引起的間接效應(yīng)與細(xì)胞響應(yīng)重力變化的直接效應(yīng)共同存在，這將使空間細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以區(qū)分“空間環(huán)境（綜合）效應(yīng)”和單純的“微重力效應(yīng)”。本項(xiàng)目基于生物力學(xué)視角，力圖在技術(shù)上量化微重力條件下細(xì)胞培養(yǎng)的物質(zhì)輸運(yùn)條件，在科學(xué)上分析重力變化對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的直接作用與間接作用機(jī)制。項(xiàng)目將獲得新科學(xué)數(shù)據(jù)——微重力條件下動(dòng)物細(xì)胞生物學(xué)行為的物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律；新實(shí)驗(yàn)技術(shù)——新型空間動(dòng)物細(xì)胞生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。驗(yàn)證新型空間生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，獲得動(dòng)物細(xì)胞物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律的空間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析重力變化對(duì)細(xì)胞的直接作用與間接作用。

2.3 空間生物技術(shù)

2.3.1 微重力條件下造血與神經(jīng)干細(xì)胞三維培養(yǎng)與組織構(gòu)建研究項(xiàng)目

干細(xì)胞研究是繼藥物治療、手術(shù)治療之后的又一場(chǎng)醫(yī)療革命，再生醫(yī)學(xué)已是近年來世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的高新科技領(lǐng)域之一。造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞是組織損傷修復(fù)和體細(xì)胞發(fā)育分化的重要種子細(xì)胞，是再生醫(yī)學(xué)治療疾病的重要手段。如何擴(kuò)增和定向誘導(dǎo)造血與神經(jīng)干細(xì)胞一直是再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用干細(xì)胞的關(guān)鍵技術(shù)問題。項(xiàng)目前期已經(jīng)利用自制的空間三維生物培養(yǎng)反應(yīng)器模擬地基微重力效應(yīng)開展了多次匹配實(shí)驗(yàn)，證明微重力條件影響干細(xì)胞的增殖能力與分化方向。搭載于 SJ-10 返回式科學(xué)衛(wèi)星上的進(jìn)一步研究，將在空間微重力條件下，為人類探究造血與神經(jīng)干細(xì)胞增殖與分化的機(jī)理提供更準(zhǔn)確、更科學(xué)的線索。

2.3.2 微重力條件下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的骨細(xì)胞定向分化效應(yīng)及其分子機(jī)制研究項(xiàng)目

本項(xiàng)目希望建立微重力環(huán)境下干細(xì)胞培養(yǎng)、定向分化的技術(shù)平臺(tái)，闡明微重力影響人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞定向分化骨細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)及其分子機(jī)制。分析 SJ-10 衛(wèi)星返回艙攜帶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將獲取空間骨細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化效應(yīng)及其關(guān)鍵細(xì)胞信號(hào)分子相關(guān)結(jié)果；為人類將來在微重力環(huán)境下進(jìn)行骨質(zhì)變化的預(yù)防、治療和相關(guān)藥物開發(fā)提供理論依據(jù)。

2.3.3 微重力條件下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究項(xiàng)目

空間環(huán)境下哺乳動(dòng)物與人類能否繁衍后代？空間微重力環(huán)境是否影響胚胎的正常生長(zhǎng)和發(fā)育？相關(guān)問題一直是待解之謎。迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚無在空間微重力實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行哺乳動(dòng)物早期胚胎體外發(fā)育研究成功的報(bào)道。本項(xiàng)目在世界上首次獲得太空條件下小鼠早期胚胎發(fā)育結(jié)果；闡述空間微重力條件影響哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的機(jī)制，為保障人類太空活動(dòng)中生殖發(fā)育健康提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)語

SJ-10 衛(wèi)星工程利用我國(guó)成熟的返回式衛(wèi)星技術(shù)，緊密圍繞有關(guān)能源、農(nóng)業(yè)和健康等領(lǐng)域國(guó)家科技戰(zhàn)略目標(biāo)，結(jié)合航天器防火等關(guān)鍵技術(shù)需求，進(jìn)行重大科學(xué)問題研究，并為有關(guān)衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)進(jìn)行前期試驗(yàn)。SJ-10 衛(wèi)星的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)聯(lián)合了中科院 11 個(gè)研究所及國(guó)內(nèi) 6 所高校共同參與。除國(guó)內(nèi)合作外，通過與 ESA 等國(guó)際機(jī)構(gòu)開展合作研究，搭建了中國(guó)和國(guó)際空間強(qiáng)國(guó)緊密合作的互通平臺(tái)，共同孕育空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)展、新突破。SJ-10 衛(wèi)星每一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)都經(jīng)過嚴(yán)格遴選、反復(fù)論證，具有創(chuàng)新性、針對(duì)性和很好的科學(xué)前景，預(yù)期將獲取具有國(guó)際先進(jìn)水平的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性重大科技成果，促進(jìn)地面生物工程、新材料等高技術(shù)發(fā)展和生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究取得突破，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)發(fā)展具有重要意義。

（相關(guān)圖片請(qǐng)見封二）

康 琦 中科院力學(xué)所研究員、博士生導(dǎo)師，“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)衛(wèi)星工程科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師。主要研究領(lǐng)域包括：微重力流體物理、實(shí)驗(yàn)力學(xué)。E-mail: kq@imech.ac.cn

Kang Qi Researcher of Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences （CAS）, doctoral supervisor, Chief Designer of application system, SJ-10 satellite engineering. His major is experiment mechanics, including microgravity sciences and fluid physics.

E-mail: kq@imech.ac.cn

胡文瑞 男，流體物理學(xué)家。中科院院士，國(guó)際宇航科學(xué)院院士，中科院力學(xué)所研究員，“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)衛(wèi)星工程首席科學(xué)家。主要研究領(lǐng)域包括：空間科學(xué)、微重力流體物理。E-mail: wrhu@imech.ac.cn

Hu Wenrui Male, Researcher of Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences （CAS）, Academician of Chinese Academy of Sciences, Academician of International Academy of Astronautics, and Chief Scientist of SJ-10 satellite engineering. His major is fluid physics, including space science and microgravity fluid physics. E-mail: wrhu@imech.ac.cn

專題：空間科技助力“一帶一路”建設(shè)Exchange & Cooperation

Microgravity Experimental Satellite —?SJ-10

Kang Qi Hu Wenrui
（Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）

AbstractThe Long March-2D carrier rocket carrying the “SJ-10”, the 24th recoverable satellite of China, blasts off from the launch pad at the Jiuquan Satellite Launch Center at 1:38’04’ am of April 6, 2016. It took 559 seconds to send this satellite, the second of the series, into the circular orbit of approximately 250 km high. The SJ-10 program provides a mission of space microgravity experiments including both fields of microgravity science and space life science. It is designated to promote the scientific research in the space microgravity environment by operating the satellite at lower earth orbit for 2 weeks. There are 19 scientific facilities on board the satellite, of which 9 biological facilities, multiple work position furnace of space material science, and transport coefficient measuring device of fluid physics in re-entry module, and 8 microgravity facilities in orbit capsule. Totally 28 experiments include 18 ones in the field of microgravity science （6 in microgravity fluid physics, 4 in microgravity combustion, and 8 in space materials science） and 10 in the field of space life science （3 in radiation biology, 3 in gravitational biology, and 4 in space biotechnology）. These experiments were selected from more than 200 applications. Scientific purposes of these experiments are summarized as follows: to promote the basic research of fluid physics and biology experiments; to support the manned space flight for fire safety research; to improve the human health by biotechnology studies; and to develop the high-technology by experimentsof coal combustion, materials processing and biotechnology.

Keywordsscientific satellite, SJ-10, microgravity science, space life science, recoverable satellite