微重力科学研究的现状及前景

　　摘要: 微重力是一种极端的物理环境。微重力科学是伴随着空间探索而发展起来的新兴科学,它主要研究微重力下的物理学、化学、生命科学和材料学等方面。微重力科学的发展,将对太空实验、太空开发产生重要意义。
　　关键词: 微重力;空间流体力学;空间材料学
　　中图分类号:P35文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0620034-01
　　
　　在一非惯性系中,若物体所受到的惯性力与引力近似平衡,惯性加速度与引力加速度之差远小于地面重力加速度,就称为该物体处于微重力状态。其剩余加速度——引力加速度与惯性加速度之差即为微重力加速度。微重力加速度比地面加速度要小几个数量级。地球表面的加速度为g,而微重力加速度一般为10-3g-10-5g,随着所受重力水平的极大减弱,物体运动规律也发生了很大变化。在微重力环境下,许多被掩盖的次级效应会变的很显著。
　　1 微重力科学的研究方法
　　微重力科学的研究始于上世纪60年代初,分为地面基础研究和空间基地研究,简称陆基研究和空基研究。
　　空基研究主要指在空间中实现微重力环境并进行实验研究。自1957年人造卫星发射成功以来,载人飞船、实验空间站、航天飞机等专用空间实验平台相继出现,从而获得了长时间的局部微重力环境。空基研究,一般是指在密封的飞行器中进行的实验研究,而在飞行器中进行的实验费用较高,组织实施面广,实验能力有限,不可能广泛采用。这样,地面研究就显得尤为重要。陆基研究主要是通过自由落体获得微重力环境,这是微重力科学研究的一种重要方法,这些设施包括落井、落管和落塔。
　　2 微重力的研究现状及发展前景
　　经过几十年的发展,微重力科学取得了举世瞩目的成就。随着空间技术的发展,重力科学的应用研究越来越受到空间技术强国的重视。
　　美国是世界经济、军事强国,且在微重力科学研究方面也取得很大的成就。它已建立了数个高达100多米的落塔,研制出KC—135实验飞机和黑雁实验火箭,发射16艘阿波罗飞船、航天飞机等用于微重力科学研究。
　　前苏联是另一个空间技术强国,曾研制出“和平”等一系列实验火箭、微重力实验飞机,并发射了联盟号飞船、礼炮号空间站等微重力研究设施,进行微重力科学研究。
　　日本,欧洲各国也纷纷建立了落管、落井、落塔,争先恐后开展微重力科学研究。
　　我国从1986才开始微重力研究,目前取得了很大的成就。建立了数个20米落塔,利用火箭、返回式卫星进行了30多项材料科学和200多项生物学搭载实验。这些研究利用有限投资,选取最佳目标,取得了预想的成果。结果表明:在微重力的环境下,可获得晶体快速增长、无容器熔化等。
　　同时微重力科学的发展也受到很大的限制。与过去微重力实验的时间少得可怜正好相反,目前微重力实验却在成倍的增长。近几年的太空实验比过去二十年的实验时间总和还要多,各国都建立了自己的微重力实验室。
　　2.1 空间流体力学。重力是一个体积力,它对流体的平衡和运动有重要作用。在长时间重力环境中,会引起自然对流、沉积、静压力的宏观变化。而在特殊的微重力环境中,会产生一些新的特点。
　　在地球重力环境下对流主要表现为浮力对流,而在微重力环境下的对流主要表现为表面(或界面)张力不均匀产生对流自然对流。自然对流即浮力驱动对流基本消失,是微重力科学、空间材料科学、空间生命科学等在微重力环境中进行实验的依据。在微重力下的扩散过程中,由于不存在驱动对流,使测量精度很高,可以准确测量过去很难测量的扩散特性、质量输运特性;还可以十分准确测量扩散系数和温度的关系,这对凝固和结晶过程是有很大意义的。从理论上讲,当浮力对流极大地减小以后,表面能力不均匀所引起的流体运动就可以构成一些新的耗散体系,诸如热或浓度毛细对流、液滴或气泡动力学,以及包括胶体在内的分散系统的聚集等。事实上,微重力环境为研究纯扩散以及交叉扩散过程提供了好的条件。这些新课题对研究非线性科学、流体力学、输运现象以及分子力的作用等都很重要。在微重力环境中消除了浮力的影响和重力分层,可以更好地研究化学反应,动力学和流动之间的耦合。
　　2.2 空间材料学。材料加工都是通过相变时的成核和凝固来实现的。在地面上由于重力的影响,流体中的温度和浓度不均匀要产生浮力,导致设备材料精度不高,影响其性能。在微重力环境下浮力对流和密度分层都极大的减弱,物体没有“轻重沉浮”之分,利用这种条件为晶体生长和材料加工等提供较好的条件。
　　固体、液体和气体能够和平共处还可以开发出新产品,新工艺,并通过与地面的现有的生产方法和工艺作对比。利用微重力和对流效应,当向融化钢水充入气体,比如氢气,氮气等时液体内气泡不易分离,就能产生象普通钢水一样坚硬又能像泡沫一样浮在水面上的均匀泡沫钢;利用微重力,高真空和保冷环境可以产生地面无法制造的磁性材料,优质符合材料;利用自身的成型效应,液体试熔融金属。电子在失重条件下不用放入容器,可以长时间稳定的浮在空中,能施加大量热能,且不会进入杂质,没有物质的污染;利用微重力对流,无沉积,无浮力等效应,使生长出的生物品种比地面同样条件生长出的更大。德国的Littke利用空间实验条件生长的溶酶和伴乳糖甘酶的晶体比地面同样条件下生长的晶体分别大1000倍和27倍。
　　2.3 微重力基础物理学。近年来,利用微重力环境进行重大基础物理研究已经成为微重力科学的一个新兴领域,也有人把这个领域称为空间基础物理。激光冷却是当代物理学的一个前沿,在地面实验室中利用磁陷阱的方法实现了所谓的物质第五态,即玻色---爱因斯坦凝聚(BEC)。微重力环境可以减少地面的诸多因素的干扰,而且可以实现物质的自由悬浮,因此可以使BEC的原子数密度比地面高1～2个数量级,使激光谱线宽度减小1～2个数量级。这将极大地促进对BEC的研究,而且同时也提供比地面精度高2个数量级的高精度时标。微重力环境中的激光冷却研究不仅具有理论上的重要性,而且也有重大的军事和民用价值,正在受到各空间大国的重视。
　　3 结论
　　微重力科学作为一门新兴的前沿学科,30年来取得了巨大的进展。它主要研究微重力环境下的空间流体力学、空间材料学等方面进行研究。国外已经利用宇宙飞船、航天飞机等,在轨道上处于失重、超洁净和高真空条件下,制造质量极高的晶体,对材料冶炼和加工得到特殊珍贵材料,生产出了许多举世无双的天上产品,获利极其丰厚。当然微重力科学研究也给一些发展中国家进行微重力研究带来了困难。但是,许多国家仍然是把微重力科学研究列为国家重点研究学科。
　　越来越多的国家联合起来进行国际合作,如国际空间站,这些计划的实施为微重力的科学研究和应用提供了极好的条件,必将加速研究成果向商业化转化,在不远的将来造福于人类。
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