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中国的空间站上可能要做你的实验?

2019-07-04 09:16:36  来源:科学大院

自从中国的空间站开始建设以来,“我们去空间站干什么”就一直是大众关心的问题。其实,“做实验”就是一项重要的任务!

之前,来自17个国家的9个项目成为中国空间站科学实验首批国际合作项目。现在,中国空间站面向国内公开征集空间科学实验和技术试验项目活动也已经开始正式申报。

这么多项目,还不抓紧时间填报?

这么多项目,还不抓紧时间填报?

那么,我们的空间站究竟能提供哪些实验条件,又有哪些项目有望入选呢?为此,大院er采访了中科院空间应用中心应用发展中心主任张伟。

问题1:

答:我国预计在2020年发射核心舱,2022年左右发射实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ,然后把三个舱进行组合,形成一个T字形构型,构成了一个完整的空间站。空间站从2022年之后开始运行,预计在轨十年以上,在这十年当中可以支持大量的科学研究和实验。

中国空间站

中国空间站

问题2:

答:利用载人航天开展科学实验有很多优点:

第一,可以提供长期的微重力实验条件。微重力下有很多物质的规律会发生变化,比如由重力引起的浮力对流就基本消失了,所以燃烧特性就发生了变化,它只是一种扩散的燃烧。流体、材料也有很多变化,所以利用微重力条件能揭示重力掩盖下的物质的特殊规律。

第二,航天员可以在轨进行实验操作、更换实验设施和实验设备,可以长期开展实验。

第三,在一定的轨道高度上,我们方便开展天文观测和地球观测。在空间进行观测,天文望远镜不受大气的干扰。同时空间站大约1.5个小时就能绕地球一圈,大概每三天就可以把地球大部分陆地都覆盖了,可以对地球进行快速扫描和观测。

第四,可以通过天地往返将实验样品带回地面,在地面上对样品进行长期研究,取得新的发现。比如说天宫二号,我们就把培养的植物样品和材料科学的样品拿回来了。

问题3:人类在太空中做实验已经有一段时间了,有没有什么样的实验对我们的生活产生了一些影响?或者对科研带来很大的促进作用?

答:比如欧洲牵头开展了在太空中饲养小鼠的研究,为期半年,通过在轨观测来研究小鼠在太空微重力条件下的特征,并与地面研究结果进行对比,看在太空生活对生命体的细胞、神经系统乃至整个生命体究竟有什么影响,为人类太空探测打下基础。

还有燃烧冷焰。在国际空间站上开展了微重力燃烧实验,科学家发现了“冷焰”这种特殊的现象,火焰熄灭以后物质仍然在燃烧,也就是说在非常低的温度条件下它还在燃烧。利用这种现象可以提高发动机的燃烧效率,特别是柴油发动机,让发动机的污染排放量更小,对今后发动机的设计改进具有很大指导作用。咱们天宫二号上也做过类似的实验。但是要想发现它的本质规律,还需要大量实验。

生命生态实验柜(左)燃烧科学实验柜(右)

生命生态实验柜(左)燃烧科学实验柜(右)

问题4:

答:我们的空间站是一个先进的太空实验室,能够满足多方面的实验需求:

一方面,实验舱内有大量的科学实验柜,支持各个方向的舱内科学实验,包括生命科学、流体科学、材料科学、基础物理等等。

比如说,在基础物理方面,我们安排了一个超冷原子实验柜,研究温度在绝对零度附近的超冷原子气体的一些特殊的物理规律。另外我们还有一个高精度时频系统,就是冷原子钟。我们知道天宫二号上面有一个冷原子钟,它的精度大概3000万年误差一秒,而在空间站上面,原子钟是由三个钟组成的原子钟组,精度大概30亿年误差小于一秒,可以给导航等提供基准的频率和时间信息。

另一方面,在舱外有一些标准载荷的适配器,还有一些挂大型载荷的挂点,在舱外可以进行天文观测、地球观测,空间物理等方面的研究。整个实验条件是非常比较丰富的。

此外,通过航天员还可以对实验条件进行升级或者更换,可以开展更多方面的实验。

超冷原子物理实验柜(左)高精度时频实验柜(右)

超冷原子物理实验柜(左)高精度时频实验柜(右)

问题5:

答:实验柜研制起来还是非常有难度的,主要有几个方面难度:

第一,确保可靠性和安全性。所有的实验设施不能对航天员的生活造成影响,不能有危险性的因素。比如,燃烧实验,不能造成火灾,否则就非常危险,非常严重了。所以我们所有的实验都要控制得非常好。

第二,控制手段与地面不同。空间站上的实验大部分都是自主完成的,包括样品输送,样品分析等实验过程都需要在线控制,还有很多观测设备的定时定点观测也需要控制,必须开发与地面不同的控制手段,有一些非常难。

我们举个例子,比如要在太空养小老鼠,需要给它提供氧气、水和食物,但是在太空里它是漂浮的,怎样的设计让它能够吃到食物能够喝到水?小鼠还要产生大量的粪便尿液,需要把这些废物定点排出来。在一个小空间里,长期(至少半年)解决这些问题是非常困难的一件事。

问题6:除了动物实验,其他实验也是非常难的对吗?

问题6:除了动物实验,其他实验也是非常难的对吗?

答:比如要在太空加工一个20厘米长的样品,必须把样品自动放入实验柜加工,加工完以后还要自动退出来。我们必须设计一个独特的进样装置,像左轮手枪一样,样品就像子弹,一种样品放进去,加工完以后“弹仓”就转一下方向,把加工好的样品像退“弹壳”一样退出,再放进下一个样品。

样品加工的时候,需要大量激光器来加热到1000多度甚至3000度,在这个过程中封装好的样品需要融化,但是封装的外壳不能融化,这也需要特殊的材料和设计。整个实验过程的控制,包括过程的分析过程的观测,也都需要自主完成,难度很大。

问题7:

答:这次面向的对象是国内的科学家。提交项目包括十几个研究方向,比如说空间生命科学,包括动物、植物、微生物、细胞等各方面研究;流体科学,包括微重力流体下的一些特殊规律研究;空间材料科学,就在太空中制备一些新材料,或者是研究一些材料的凝固等特性;基础物理、超冷原子物理的研究,我们有一些实验柜专门提供到绝对零度附近的条件,来研究超冷状态下原子的一些规律。舱外有一个大型设施,多功能光学设施,可进行宇宙的观测,研究宇宙的起源和演化,研究黑洞、暗物质等等。还包括有地球观测及应用新技术。

问题8:

答:流程大致分成以下几个步骤。第一步是项目征集,目前我们的申报网站已经开通,大家可通过申报网站进行申报;第二步是形式审查,初步筛选出符合条件的项目。第三步是通讯评审,邀请同行内的专家来进行同行评议;第四步是会议评审,组织各个领域的专家对这些项目进一步梳理。

在这个基础上,形成项目立项建议。如果是条件比较成熟的项目,我们就尽快安排立项程序;如果项目只是有很好的想法,我们可以进行地面培育,进行了足够的相研究之后再立项。

问题9:

答:本次征集在8月31号结束,后期的评审和立项请关注载入航天官网的消息。

问题10:

答:大家需要关注以下三个方面:

首先必须满足和空间的相关性。这个实验和空间密切相关,需要利用到微重力条件或者是太空辐射等特殊条件。

第二个条件是创新性和先进性比较突出。项目必须有足够的创新,比如国际上没有做过的,或者是国际上做过但没有做好的,或者是原创性的新的东西,这样的项目优先送上天。

第三个条件在于可实现性。这个项目在技术上是不是成熟,是否在空间能够完成?我们现有的装置和实验柜是不是能够满足实验的要求?如果不满足,需要研制一个新的实验装置,能否实现?这也是要关注的一个方面。

问题11:

答:首先,面向国际征集是为了扩大中国空间站的国际影响,让国际社会关注中国空间站,利用我们的空间站开展实验,为人类造福。面向国内的征集主要是希望中国的科学家能把空间站建设成国家太空实验室,取得重大的、突破性的成果,希望科研院所、高校、科技企业等都能够参加,提升整个国家的科学研究水平。

问题12:

答:以前我们在空间的实验机会非常有限,虽然在神舟飞船、天宫二号空间实验室上面开展了实验,但是能够开展的项目数量还是有限的。如果有了空间站这个平台,我们可以滚动实施几百项甚至上千项科学实验。通过这些实验,我们可以大大提升我国空间科学领域的研究水平。这些年我们的空间技术获得了很大的发展,但是空间科学发展还是比较慢的,所以我们希望通过这些研究来提升我国空间科学的水平。

另外,我们通过相关研究,可以掌握人在太空长期生存时的一些特殊规律,包括物理的和生命的规律,为人类今后在太空长期生存奠定基础。同时我们开展大量的深空技术验证,包括太空3D打印、太空激光通信,通过这些技术的验证,让人类走得更远,走向火星甚至更远的深空。

空间站实验柜集合

空间站实验柜集合

问题13:

由实验装置通过自动化的控制自主完成的。

答:这些实验操作大部分是也可以通过地面的运行控制中心遥控控制实验的操作,包括参数调整或者设置。同时,在轨的航天员会帮助我们开展实验,比如说更换批次样品,比如说生命科学实验中的精细的操作,包括进行在轨的观察。现在有新的一类航天员,就是载荷专家,他们是专门去太空开展科学实验的专家,在短期内就把相关的实验批量完成。他们的专业背景能够提升我们空间站的实验效率。

问题14:

答:4月23号航天日之前,载人航天办公室就发布了项目征集公告,相当于从4月底到8月底,实际上是四个月的准备时间。

另外,考虑到科学家可能有很多创新的想法,但是未必对空间站有很多了解,所以我们做了一个空间站资源手册给大家提供指导,介绍空间站上的实验资源和实验条件。大家看了这个手册就会对整个空间站的实验条件有深入的了解,然后填写项目建议书就可以。

目前我们要求项目建议书小于2万字,希望大家在比较少的篇幅内说明要做的实验、需要的资源、以及实验的创新性和先进性。

问题15:对比现有的国际空间站,咱们空间站的实验条件怎么样?

问题15:对比现有的国际空间站,咱们空间站的实验条件怎么样?

答:我们实验柜的设计和实验的参数都提升了,比如扩展空间站材料实验柜的加工温度,国际空间站达到2000多度,我们可以达到3000度。我们能够开展的实验也会更加丰富,可以同时进行几十种实验。

问题16:如果我是一个高中生或者大学生,也有有机会申报这个项目吗?

问题16:如果我是一个高中生或者大学生,也有有机会申报这个项目吗?

答:也有机会。在空间站资源手册也写明了,空间站同时也征集科普项目,大学生、高中生如果有好的想法,也可能在太空中来实现,比如说香港中学生提出的养蚕的项目在天宫二号空间实验室上就实现了,所以大学生、中学生也可以提出创新的想法。

问题17:

答:是的,科学家也是有机会上天的,如果身体过关的话,科学家可以参加载荷专家选拔,有希望去太空操作自己的实验。

问题18:

答:因为空间站要在轨十年以上,可以开展上千个项目,所以对征集数量没有限制,我们希望项目越多越好。

问题19:

答:还有,我们大概每两三年就会再征集一轮。

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