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中国首颗微重力科学实验卫星——实践十号

返回列表 浏览次数:86 更新时间:2016-08-23 字体大小:

1、微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究

13、空间熔体材料科学实验

人类要想在宇宙空间中长期生存,就需要研究解决一系列空间生命课题,如失重、真空、宇宙辐射、高温(或低温)等宇宙环境因素对生命过程的影响。

“实践十号”卫星是中科院空间科学先导专项中首批确定的5颗科学卫星之一,也是唯一的返回式卫星,是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、开放、综合性的空间实验平台。“实践十号”于2012年12月31日正式立项,是截止目前单次开展科学实验项目最多的卫星。其科学目标是研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律,并取得创新科技成果。

一、卫星立项及承载的科学实验项目

为满足现代微电子工业等对高质量半导体和合金材料的需要,晶体生长已成为空间微重力环境的一个重要应用前景。国内外已开展了多次空间晶体生长实验,但生成的晶体质量仍不尽如人意。其原因是由于毛细对流的不稳定性。如何抑制振荡毛细对流的产生,从而避免条纹缺陷,有必要对毛细对流开展深入研究。

16、胶体有序排列及新型材料研究

7、微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究

10、微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究

要把这样一个精密的实验室长途运输送往发射场,整个过程都需要控制温度和湿度,并保证平稳和安全。工作人员一丝不苟地进行装箱前的准备,确保每一个环节都万无一失。

首次构建基于数管分系统和服务支持子系统两级构架机制

“实践十号”卫星旨在利用中国成熟的返回式卫星技术,紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标,结合航天器防火等关键技术需求,促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破,获取一批具有国际先进水平的、具有自主知识产权的创新性重大科技成果。

实验将为培育适宜空间栽培的转基因植物新品种寻找线索。

四、“实践十号”发射的主要目的

8、空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花的分子机理研究

“实践十号”卫星与以往的返回式卫星相比,在技术状态上存在较多重大变化,主要涉及到大系统方案、系统方案、分系统方案以及关键单机层面。比如,实践十号卫星将原来的程控、遥测、遥控分系统的功能整合,形成了数管分系统;同时,为了适应19项科学实验项目的数据管理要求和微重力平台能力需要,首次构建了基于数管分系统和服务支持子系统的两级构架机制,以便于更好地适应多任务、多载荷的适配要求。

研究可为解决中国载人飞船及空间站防火等国家重大战略需求提供不可替代的技术支撑。

3、微重力条件下人骨髓间充质干细胞的骨细胞定向分化效应及其分子机制研究

全世界的科学家们都在尝试通过各种方式营造微重力环境开展研究,比如“抛物线飞机”、“探空火箭”等实验平台可以提供几分钟甚至更短的微重力环境,但想要进行更长时间的研究,就必须运用“实践十号”这样的科学实验卫星。

“实践十号”返回式科学实验卫星是为开展多项“微重力科学和空间生命科学”空间实验而专门量身定做的返回式卫星。卫星的承载能力、微重力水平、实验载荷服务支持能力等较以往返回式卫星均有进一步提升,是我国新一代具有安全回收、适应中长期在轨试验、应用灵活和成本低廉的空间科学实验平台。在结构布局上,它充分继承了以往返回式卫星的结构特点,一眼看上去就像一个“子弹头”,外形是一个圆柱圆锥组合体,内部则是由四个舱段构成的仪器舱和返回舱组成。根据任务要求,“实践十号”卫星在轨道设计上也进行了调整,由以往返回式卫星的椭圆轨道变为圆轨道,这一由“橄榄”变“圆环”的改变,大大提高了微重力水平,为更好地开展微重力环境下的科学实验提供了有力的支撑。

在这颗卫星的研制过程中,还有一个很关键的问题是要解决多实验载荷在太空协同工作且互不影响的问题。特别是生命科学项目对整个实验过程中的温度要求非常高,因此科研人员对卫星的发射阶段、在轨运行阶段和返回阶段的温度都进行了严格控制。

实验有望获得大尺寸高品质金属纳米晶体。

15、热毛细对流表面波空间实验研究

上述19项实验其中10项属于微重力科学实验,9项属于空间生命科学实验。

1、“实践十号”是迄今为止一次性开展空间科学实验项目最多的卫星,科学实验项目涉及6大领域的19项科学实验,其中卫星留轨舱将进行8项流体物理实验,其它11项科学实验将在回收舱进行。这些科学实验项目均为微重力科学和空间生命科学的前沿研究课题,其中15项科学实验是国际上首次开展。

热扩散效应也叫Soret效应,与石油开采有关。要想尽可能准确地预测油田中的气油界面和组分分布,需要Soret系数的准确数据。然而,在地面常重力条件下无法获得不受对流干扰的理想热扩散过程,也难以得到Soret系数的准确数据。

12、微重力环境电流过载下导线绝缘层着火烟的析出和烟气分布规律

18、微重力沸腾过程中的汽泡热动力学特征研究

三、发射纪实

我国的卫星返回技术相对成熟,至今成功发射并回收的卫星已经达到24颗。但因为要进行独特的微重力实验,作为我国将要发射的第25颗返回式卫星,“实践十号”相比以往的返回式卫星,进行了大量的适应性创新设计。

当地球植物飞向太空后,昼夜不再是24小时周期,也不再有四季的变化,如国际空间站上每24小时中有16次的日出与日落,也没有了重力,植物没有上下方向。那么,植物的生长发育和代谢活动会有怎样的变化?其内在的遗传机制会怎样适应地球上从未有过的微重力新环境?国内外在空间已进行了多次的植物生长试验,但还并没有完全阐明微重力对植物生长发育的影响,尤其对于微重力条件下光周期诱导开花途径,目前尚未见报道。

这一研究将展示哺乳动物早期胚胎在太空环境下的发育情况,揭示太空环境下哺乳动物早期生命活动规律,为保障人类太空活动中生殖发育健康提供科学依据。

17、蒸发与流体界面效应空间实验研究

2、在返回式卫星上首次引入流体回路控温技术,解决了空间材料实验设备(温度长期保持在700摄氏度左右)和生命科学实验设备(温度长期保持在36摄氏度左右)同处返回舱、温控要求高的技术难题。

简言之,“实践十号”就是太空中临时搭建的一个实验室。

4、空间辐射诱变的分子生物学机制

煤炭在中国能源消费中占很高的比例,带来较大的污染。在微重力环境下,观察煤炭燃烧和污染物生成的基本规律,有望获得一些地面无法得到的基础数据,发展更完善的煤燃烧理论和模型,帮助人类更好地利用煤炭资源。

这一研究将从一个全新角度为认识重力在高等植物开花调控中的作用机制提供重要依据。实验在国际上首次使用在轨微重力条件下热激启动基因表达并通过实时荧光图像观察的方法与技术。所得数据将应用于载人航天受控生命生态支持系统的设计,并为空间植物培养提供理论依据。

实验将为载人航天等航天工程中的空间热流体设备的设计开发提供理论依据。

“实践十号”卫星工程项目首席科学家、中科院力学所胡文瑞院士介绍道:“实践十号”项目包含19项科学实验,涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术共六大领域。开展的科学实验都是全新探索,绝大多数国际上没有开展过的,每个都具有创新性和很强的科学研究价值,将孕育学术上重大问题的突破。

“实践十号”卫星工程分工程总体及卫星系统、运动火箭系统、发射场系统、测控回收系统、地面支撑系统和科学应用系统等六大系统。

这一实验是国际上首次开展微重力条件下造血与神经干细胞三维培养研究,揭示微重力下细胞三维生长的基本规律及其对自我更新、分化与功能的影响,探索解决目前干细胞非分化性增殖、高效定向分化、三维组织构建等世界性难题的新途径。

中欧合作的这一项目是国际上一系列相关研究之一,在卫星上搭载双方共同研制的仪器设备。实验有望获得包括中国石油样品在内的石油不同组分的Soret系数的精确数据,帮助预测油田中石油组分分布和油气界面位置,进而指导石油的开采并降低开采成本。

在国内外,迄今尚未见到在空间微重力实验条件下,成功进行哺乳动物早期胚胎发育体外研究的报道。这一实验首次在太空进行哺乳动物早期胚胎发育研究,观察太空环境中小鼠早期胚胎的发育过程,并探讨太空环境对胚胎发育的作用机制。

2016年2月24日凌晨,我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”运抵酒泉卫星发射中心,为当年4月的发射任务进行最后的备战。“实践十号”卫星是开展微重力科学和空间生命科学研究的科学实验卫星,由中国航天科技集团公司五院总体部抓总研制。

中国卫星第一次在四子王旗实现弹道式回收

6、空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究

“实践十号”卫星开展的19项实验具体如下:

首次探索返回式卫星低成本技术和航天器产品可重复使用技术

按照计划,“实践十号”将在轨道上利用太空中微重力等特殊环境,在短短15天的太空飞行中,完成涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术等六大领域的19项实验。之后,卫星再把实验样品带回地球,为微重力环境及复杂辐射环境中物质运动规律的研究提供依据。

长期微重力状态、空间辐射、超真空等不同于地面的因素对动物生命活动是否产生影响,以及影响的程度和机理都是人们迫切需要了解的问题。

据中国航天科技集团五院“实践十号”卫星副总设计师李春华介绍,“实践十号”卫星研制成功,将为我国开发出一个专门用于微重力科学和生命科学的实验平台,使我们国家的空间微重力研究有了新的技术手段。

这是首次在有系统的长微重力时间下振动激振颗粒运动实验,有望获得团簇形成与分聚和冷却行为等颗粒动力学重要实验结果。

14、微重力条件下石油组分热扩散特性的研究和Soret系数的测量

此次“实践十号”返回式卫星选择在内蒙古四子王旗回收,而不是以往返回式卫星的“回家”地点遂宁。这主要是遂宁山区人员密度增大,新建房屋林立,为了保护当地百姓的人身和财产安全,同时也为了卫星搜寻回收,于是放弃了遂宁,而是选择了具有比较成熟回收条件的四子王旗。这是“实践十号”卫星在回收方面的一个比较大的变化。

“实践十号”赵会光总设计师说,“实践十号”卫星平台设计充分继承了原返回式卫星平台,但同时,根据新的任务开展了创新设计,与以往返回式卫星相比,“实践十号”卫星拥有一连串第一的头衔:

在顺利完成12天太空飞行后,“实践十号”返回式卫星回收舱于2016年4月18日16时30分准确降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域。这不仅标志着我国返回式卫星迎来第二个春天,“实践十号”也成为我国首颗在四子王旗采用弹道式回收的返回式卫星。

鉴于上述技术创新以及所开展科学实验的重要性,“实践十号”自立项开始就引起了多主关注,而最终“实践十号”的成功发射及顺利返回,则更让人赞叹中国航天的精湛技艺。“实践十号”最主要的创新点是:

二、“实践十号”卫星简介

为最大程度预防航天器舱内火灾的发生,首先需要掌握所使用的非金属材料的防火特性,建立材料选用和使用规范,对不得不使用的可燃材料,根据其燃烧特性制定相应的火灾预防办法。

实验通过检测太空旅行前后小鼠细胞和果蝇的样本,定量研究空间辐射对基因组稳定性改变的效应,寻找新的空间辐射敏感标志生物分子,为太空辐射的风险和防护研究提供新的基础数据和检测手段。

已有研究表明空间环境能够诱变家蚕。但是,诱变过程中哪些基因发生了变化,蛋白的种类和丰度都是未知因素。这一实验在空间连续培养家蚕胚胎12天,研究空间条件下家蚕胚胎基因表达的特征,并将这些研究结果和方法推广到其他的生物研究之中。

19、颗粒物质运动行为-颗粒流体气液相分离空间实验研究

9、微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究

近年来可重复使用运载器和航天器技术得到了国内外航天领域广泛关注,其发展核心意图在于降低成本、增强效用。随着具有返回需求的空间任务需求日益旺盛,返回式卫星面临着更低成本、更强返回能力、更好在轨服务能力的发展要求。为此,“实践十号”卫星在低成本技术和可重复使用技术方面进行了大胆的尝试和探索。比如,为了进一步降低成本,“实践十号”卫星首次尝试采用了市场采购类商业产品,在市场中采购了普通的商业用部组建,将其按照航天标准进行加工加固,然后经风险评估后应用到卫星研制中,既顺利完成了相关航天任务,又大大降低了研制成本。还比如,“实践十号”跨领域选用了成熟产品,重复使用了返回式卫星、神舟飞船、遥感卫星、导航卫星、“嫦娥”等多个型号和平台的成熟产品,为我国航天器产品可重复使用趟出了一条新路。

2016年4月6日1时38分,我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”返回式科学实验卫星,在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭发射升空,进入预定轨道。

从干细胞水平研究微重力造成骨细胞生成减少的生物学效应以及分子机制,是探讨空间微重力影响骨质变化的重要内容之一。实验有助于了解长期空间飞行和失重情况下造成的人骨量丢失的原因,为将来开发相关药物或预防措施提供科学基础。

实验有助于加深理解沸腾传热内在机理,成果可服务于航天,尤其是载人航天事业。

实验将研究空间辐射环境引起基因组不稳定生物学效应机制;挖掘对空间辐射环境敏感的生物分子和空间环境引起生物学效应的诱因,将为载人航天中的深空探测任务和舱外暴露试验打下技术基础。

微重力环境保障与测量能力是“实践十号”卫星工程总体和科学应用系统非常关注的项目。为精准测量卫星的在轨微重力水平,“实践十号”首次采用了高精度、多模式工程参数测量分系统。利用这一新增的分系统,能够用数据说话,准确地告诉科学家们平台的微重力是多少,便于更好地开展空间科学实验。

5、空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究

科学家已发现进行空间活动的宇航员有骨质流失、肌肉萎缩、免疫功能下降和心血管系统异常等一系列生理改变,足以影响宇航员的生活质量和工作能力,尤其是长期飞行,甚至可能引起不可逆的变化。这一实验将为了解宇航员空间生理变化的机理,并为寻找应对措施提供科学与技术支撑。

实验将研究微重力环境下晶体生长和凝固过程,获得地面重力场中难以生长的高质量材料。

此外,与以往在四子王旗回收的神舟飞船和嫦娥五号飞行试验器采用的半弹道式回收方式不同,“实践十号”卫星是我国卫星第一次在四子王旗实现弹道式回收。那么,什么是弹道式回收呢?通俗地说,就是进入太空的返回式卫星或航天器再次返回地面时,根据自身的气动特性和轨道特征而采用的一种再入返回方式。目前,航天器的再入返回按技术特点分为弹道式返回、半弹道式返回和滑翔式返回等几种方式,其中弹道式返回主要是指返回式卫星或航天器进入大气层时只产生阻力不产生升力,或者虽然产生升力但对升力大小和方向不加控制。“实践十号”卫星就属于弹道式回收,它开创了我国航天器在四子王旗弹道式回收的先河。

此次“实践十号”的太空之旅将携带19项科学试验项目,开展异常复杂的太空微重力和空间科学实验,这对于卫星的热控、微重力、供配电能力、回收保温等方面提出了非常高的要求。特别是卫星回收舱的载荷功耗相较以往呈10数倍大幅提升,由30瓦增至300瓦,以往卫星的被动热控方案远远不能满足任务需求;同时,空间科学实验中涉及多种生命体,要求提供冷热温度适宜的舒适环境,卫星回收舱温控指标要求基本控制在5℃-35℃。为此,“实践十号”卫星首次引入流体回路系统,增加了冷板、流体回路断接、辐射器防护罩弹抛等,并成功研制出我国最大的航天器热控冷板,同时开展了多项专项分析和验证,为“太空实验室”安全、舒适地良好运行扫平了道路。

“实践十号”则由有效载荷、结构、热控、控制、推进、供配电、测控、天线、数管、工程参数测量和回收共11个分系统组成。卫星整体为柱锥组合体形状,据卫星副总设计师李春华介绍:“这颗卫星的形状跟其它卫星相比是非常独特的,主要是在发射过程中不需要整流罩,卫星的星体就承担了整流罩的作用。另外,由于飞行时间短,卫星主要采用的是化学电池,而没有采用大家常见的太阳能帆板这样的供电方式,所以大家看到的这个形状就类似于弹头。”

首次采用高精度、多模式工程参数测量分系统

11、典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究

首次在返回式卫星上采用流体回路系统,大幅提升载荷功耗承受能力

在载人空间飞行过程中,航天器舱内的火灾事故是最令人恐惧、危害最严重的一种。防火安全是载人航天器设计和运行中必须妥善解决的最重要问题之一。

2、微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究

中国第一颗专门的微重力科学实验卫星

“实践十号”分为返回舱和留轨舱(仪器舱)两个舱段,其中留轨舱又包括服务舱和密封舱,返回舱包括回收舱和制动舱。回收舱在完成任务后再入大气软着陆并回收。卫星总质量不大于3600公斤。设计在轨工作15天,回收舱在轨12天返回,而留轨舱将继续在轨工作3天。

和普通卫星不同,“实践十号”还是一颗返回式卫星,它独有的返回舱将在完成实验任务后回到地面。正是通过这种方式,它才能将太空中的实验成果带回地面。

换句话说,就是此次进入太空的19项实验项目中,有的项目是从任务开始就一直持续进行实验的,而有些项目则需要根据不同的时间段开展相应的实验,这就要求数管分系统这个“大管家”根据不同的实验项目开展系统优化和合理安排,并根据实验需求随时给供配电、热控等分系统分配任务,合理安排在轨时间,进行天地遥操作等一系列任务,为“空间实验室”保驾护航。

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