中国发射的第一枚微重力科学实验卫星是“实践十号”

2016年4月6日凌晨1时38分，实践十号由长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心准时发射升空，

它是我国首颗返回式微重力科学试验卫星，也是我国发射的第25颗返回式卫星，它将利用太空中微重力等特殊环境完成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、微重力生物效应、空间生物技术六大领域。

实践十号总设计寿命15天，将利用我国成熟的返回式卫星技术按预定程序返回地球。

与此同时，中国空间科学中长期发展规划研究团队2016年初完成了《2016－2030空间科学规划研究报告》，提出至2030年，中国空间科学要在宇宙的形成和演化、系外行星和地外生命的探索、太阳系的形成和演化等热点科学领域取得重大科学突破。

中国科学院力学研究所研究员、实践十号首席科学家胡文瑞院士表示，实践十号是一颗“专为科学而生的”卫星，它为实验提供了载人空间站都无法达到的更好的微重力环境，“极端物理学条件必然蕴含着重大的科学问题的突破，我们期待实践十号为我们带来惊喜！”

微重力研究是国际科技竞争的焦点

对科学家来说，宇宙空间是一个很好的实验室。地球上的物理现象，都受到地球重力的制约，比如浮力、沉降等。在微重力（也就是通常说的“失重”）环境下，能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。

地球的重力环境是1g，微重力环境就是指重力仅为10-6g到10-4g的环境。胡文瑞说：“在微重力环境下，物理过程和生命过程都会发生改变，一些理论预言也只有在微重力环境下才能得到检验。对物理学、材料科学、生命科学而言，微重力环境都是最好的实验场。”

“地球重力场是盖在物质运动规律和生命活动规律上的面纱，不揭开就无法看到很多问题的本质。”中科院国家空间科学中心主任、空间科学卫星工程常务副总指挥吴季说，“实践十号卫星是一个高效、短期、综合空间实验平台，它的使命就是揭开被重力所掩盖的科学秘密，力争获得重大科学突破。”

微重力环境不只为基础科学发现提供了新平台，更在育种、新药制备、新材料发明上大有作为。吴季说：“与之前发射的暗物质粒子探测卫星不同，实践十号的很多科学实验，比如微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究、微煤燃烧和污染物生成实验等，结果都与我们的日常生活息息相关。”

微重力环境是地球上所不具备的——人类必须到太空中去。近年来，微重力科学研究已经成为国际科技竞争的焦点：俄罗斯一直在微重力环境中进行新型工艺和新型材料的研究，美国已在微重力环境中发明了新药。有资料称，以美国为例，据不完全统计，美国航空航天局在微重力科学实验研究投资，平均以每年50%的速度递增。

吴季说，中国原来卫星多以应用为主，进行基础研究的科学卫星几乎没有，“中国要建设创新型国家，不能永远用别人发现的知识，永远跟在别人后面走。”去年12月，中国发射了暗物质粒子探测卫星，除了实践十号今年下半年还将发射量子科学实验卫星和硬X射线调制望远镜卫星。“这4颗卫星都是由中国科学院空间科学战略性先导科技专项支持的，我们正在遴选‘十三五’期间的科学卫星项目，希望这些努力能够尽快补上中国空间科学的短板。”

实践十号能提供更好的微重力环境

2020年左右，中国将建成载人空间站。但实践十号所作的实验并不仅仅是载人空间站建成之前的有益补充，胡文瑞说：“它能为科学实验提供一个比载人空间站更好的环境。”

环境一：10-6g微重力环境。载人空间站因为首先要保证航天员的健康和安全，所以微重力环境往往达不到10-6g。航天科技集团第五研究院研究员、实践十号卫星系统总设计师赵会光说：“实践十号微重力整体水平能达到10-4g，部分科学仪器在不同时段能达到10-6g。”胡文瑞说：“而且空间站比较大，人员活动和机械运转都会对微重力环境产生干扰，实践十号则排除了相关干扰，能为科学实验提供最好的微重力环境。”

环境二：机动性强。与以前卫星发射不同的是，直到4月5日晚、卫星发射的8个小时前，最后一个有效载荷才安装到实践十号上。中科院力学研究所研究员、实践十号科学应用系统总指挥康琦解释：“这是一项涉及生命科学的实验，因此要最大限度地排除地球重力的影响，因此我们选择最后才将有效载荷装配到卫星上。”这在载人空间站上是无法实现的，胡文瑞说：“实践十号在这方面有很强的机动性，一切以科学实验为先。”

环境三：双舱实验。在实践十号的19项科学任务中，“典型非金属材料燃烧实验”、“电流过载下导线绝缘层着火”等微重力燃烧实验特别受到瞩目，这些是胡文瑞呼吁了好多年的项目。“内部起火是卫星、飞船、载人航天器等面临的最大威胁之一，这在世界航天发展史上不是没有惨痛教训的！但在载人空间站上，这类危险的实验不适合做。”胡文瑞说，“而实践十号分为留轨舱和回收舱两部分，回收舱返回地球后，留轨舱会继续完成这些实验。”

围绕科学目标创新工程设计

“我们已有十年没有发射过返回式卫星了！”中国航天科技集团五院研究员、实践十号工程总设计师唐伯昶有些激动，“我们为它量身定制了许多新功能，既要保证实现科学目标，又要守护它平安返家。”

赵会光介绍，实践十号所承担的任务为设计者提出了很多难题。“我们以前发射过24颗返回式卫星，但大多是遥感等应用卫星。实践十号是我国第一颗微重力科学实验卫星，实验对平台带来的挑战，是以往任何一颗返回式卫星都不曾遇到的。”比如，诸多实验的展开让天地遥操作系统更加复杂；再比如，为了确保实验结果，对回收舱的散热提出了更高要求……

“我们在热控、微重力、供电能力、回收保温等方面进行全面升级。”赵会光说，特别是为了解决控件材料实验设备（温度长期保持在700摄氏度附近）和生命科学实验设备（温度要求保持在36摄氏度左右）同处回收舱的温控问题，在返回式卫星上首次引入流体回路温控技术，“可以说，实践十号是创造性地迈出空间科学实验步伐的一颗‘新星’！”

实践十号的另一个亮点是，科学家们为返回舱选择了一个新的落点——内蒙古四子王旗（内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗）。

实践十号发射成功，但它引领的科学之路才刚刚开启。胡文瑞说：“实践十号取得的实验数据要作进一步分析，并与地面实验进行比对。我相信，大家会陆续看到激动人心的科研成果！”

胡文瑞院士说：“实践十号搭载了19个科学实验载荷，涉及28项科学实验，开展微重力科学和空间生命科学研究。每一个实验都具有创新性，都具有很强的科学研究价值。”

经常喝咖啡的人都有这样的经历：滴在桌面上的咖啡干燥后往往会形成环状图案。其实，这一现象在物理学研究中有个响亮的名字：咖啡环效应。咖啡其实是一种胶体，而胶体是指某种微小颗粒分散在另一种溶液中，微粒尺寸在纳米到微米之间。由于胶体晶体结构排列的周期恰好为光波波长数量级，可以改变光传输路径，因此被称为光子晶体。光子晶体引发了科学家们的无限遐想——它极有可能代替半导体，成为新一代信息承载和传输媒介。理论上，科学家们有望通过设计各种光子晶体及器件，达到自由操纵和控制光波的目的。

——实践十号将搭载一个胶体材料箱，在微重力条件下，研究胶体粒子、纳米粒子在固态、液态界面上的自组装行为。这是国际上首次开展的科学实验。

在人类迈向太空的过程中，繁衍生息是不得不面对的问题。离开了熟悉的地球环境、没有了大气层的保护，微重力和复杂的太空辐射背景会对哺乳动物胚胎发育产生哪些影响？

——实践十号将搭载一个装有小鼠胚胎样品的胚胎培养箱，卫星发射后将对样品进行实时显微摄影并及时下传图像。这是国际上首次进行空间中小鼠胚胎体外培养发育实验，样品将随着回收舱返回地球后，科学家们将进行全方位分析研究。科学家们希望通过与地面对照实验结果比对，可以筛选出影响空间高等哺乳动物早期胚胎发育的相关基因，并对其功能进行深入研究。

这只是实践十号19个科学实验载荷中的两个，“煤燃烧箱”将开展微重力下煤粉和煤颗粒燃烧及其污染物生成特性研究，“多功能炉”将开展多种空间熔体材料科学实验；“辐射基因盒”将研究空间辐射对基因组的作用和遗传效应，“家蚕培养箱”将研究空间环境对家蚕发育的影响和变异机理……

从物理学基础研究到材料科学的应用性研究，从高等植物能否在太空开花到人骨细胞在微重力条件下会发生哪些变化，实践十号涵盖微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、微重力生物效应、空间生物技术六大学科的空间科学实验，是我国迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的空间任务。

中国科学院力学研究所研究员、实践十号科学应用系统总指挥康琦说：“实践十号为我国开展微重力科学和空间生命科学提供了一个高效、短期、综合的太空实验平台，有助于我国在重大基础研究和应用研究方面取得突破性进展。”