“实践十号”微重力下的新科研

“实践十号”卫星在轨模拟图。中科院供图

　　“实践十号”是专门用于微重力科学和空间生命科学空间实验的返回式科学实验卫星。卫星于2016年4月6日在酒泉卫星中心发射成功，整星在约250千米高度的近地圆轨道运行12天后，卫星返回舱与留轨舱分离，当日返回舱携带11项材料、生物载荷安全返回地面，样品完好，留轨舱在轨运行继续开展8项流体、燃烧微重力科学实验，留轨舱于4月25日停止在轨实验任务。

　　这些空间返回样品和在轨实验数据等经过科学家的处理和分析，已经产生了一批成果。已取得到的科学部分科学研究成果有：

　　颗粒物质团簇形成机制是包括研究星际尘埃行为及深空探测等微重力科学研究的重要问题。此次空间实验得到了单仓中颗粒气体气-液相转变的相图，并得到了颗粒气体自由冷却的规律，为相转变条件的确定、团簇生成原因和其他理论研究提供了强有力的实验支持。在世界上首次观察到微重力环境下颗粒气体的“麦克斯韦妖”现象，为颗粒耗散特性的研究提供了实验依据。

　　空间实验（和地面对比实验）取得了微重力（和常重力）条件下的光滑平直加热面上池沸腾传热曲线——确认了微重力池沸腾临界热流剧减，且对应壁面过热度同样减小，但沸腾起始时壁面过热度和低热流时沸腾传热系数与重力关联微弱。以揭示气泡热动力学与局部热量传输间的耦合作用及其对传热性能的影响机制，理解沸腾传热内在机理，服务航天事业与地面应用。

　　通过环形液池模型对流实验，首次在国际上获得了环形液池大曲率范围热毛细对流的临界条件，并发现了环形液池热毛细对流的体积效应；首次系统地获得该体系多模式对流、转换形式，以及该体系分叉特征、转捩途径。该研究对拓展流体力学机理、促进空间（热）流体管理以及空间/地面晶体优质生长都有重要意义和实用价值。

　　通过热厚材料微重力燃烧实验，首次分析获得了低速流动中火焰传播模式的完整图谱，认识了火焰对气流的动态响应；研究了热厚材料的可燃边界即火焰冷熄极限，火焰传播和动态响应过程中的传热机制。揭示热厚材料在微重力条件下的着火和燃烧特性，认识、掌握环境流动、氧气浓度和材料形状等因素的影响规律。促进固体材料燃烧的理论和模型发展，改进航天器材料可燃性评价方法。

　　成功实现了空间InAsSb晶体非接触生长，发现非接触生长可明显降低晶体缺陷密度，为提高材料的晶体质量及电学性能提供了可行的途径；得到了高质量的InGaSb晶体，晶体组分沿轴向及径向分布均匀，组分波动小于2%；对于指导InGaSb地基制备工艺开发具有重要科学意义；利用微重力条件抑制浮力对流，Bi2Te3基热电材料在空间实现了准扩散生长，晶体组分宏观均匀性得到改善，晶体质量获得显著提高；深入研究了Marangoni对流对Sn基合金溶质输运过程的影响，提出微观物理模型，揭示了微重力环境下熔融凝固过程中的界面反应机理及微结构形成规律。

　　完成了12天的空间家蚕胚胎培养，发现空间环境影响家蚕胚胎和幼虫的发育；综合利用基因组和功能基因研究的最新手段和方法，首次发掘了一批受空间环境影响的家蚕基因，有利于家蚕新品种的开发，有重要的经济应用价值。

　　利用典型的长日与短日植物（拟南芥和水稻）光周期诱导开花特点，研究了空间微重力条件下光周期诱导开花作用机理，发现微重力条件下植物的向光性减弱，为进一步研究向重性与向光性之间的关系提供了直接证据；首次实现在轨热激启动的开花基因表达，人工导入的开花基因空间表达仍呈现昼夜节律变化，但变化的幅度小于地面，表明微重力可能抑制开花相关的生物钟基因的表达，为揭示植物开花调控机制开辟了一条新的途径；认识了微重力参与调控植物光周期开花反应关键基因的表达规律，为人工操控空间植物的生长过程，建立高效、优质的空间生命生态支持系统打下了理论基础。

　　在国际上首次获得太空条件下小鼠早期胚胎发育的实时摄影图片，首次证明了太空微重力条件下哺乳动物早期胚胎能够在体外完成从2-细胞到囊胚发育的全过程。通过太空发育实验返回样品与地面对照实验结果比对，找到了影响太空哺乳动物早期胚胎发育的关键因素，这为保障人类太空活动中生殖健康提供科学依据。

　　（作者：康琦、胡文瑞，康琦系“实践十号”卫星科学应用系统总设计师，胡文瑞系“实践十号”首席科学家）