拿捏重力？解密变重力科学实验柜
2022/7/25 7:00:00 科学大院
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问天实验舱的成功发射，并与天和核心舱成功对接，为天宫空间站送来了许多科学实验柜，以开展太空实验，进而解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。在这些实验柜中，变重力科学实验柜主要为科学实验提供0.01g-2g(零重力到两倍重力范围)高精度模拟的重力环境，用以研究不同重力环境下的物理、化学和生命科学现象。
变重力科学实验柜示意图
变重力研究有什么重要意义？这一实验柜是如何实现改变重力的呢？请任务组的相关专家来为大家讲解吧。
为什么要进行变重力研究？
在地球表面的物体都会受到重力的作用，苹果就是被重力拉扯而砸到牛顿的脑袋上的。重力有时很有用，但有时也会造成科学家的困扰。
例如，有这样一个科学问题：为什么我们无论以什么朝向播种种子，种子的根都会向下长，而茎都会向上长呢？经过研究，科学家认为根系的生长表现出向重力性，也就是根系中的一些生理过程能够诱导根系向着重力的方向生长。那么，如何验证这个假设呢？要是能够找一个没有重力的地方试着种一下植物就好了，可是地球上是没有这种地方的。虽然科学家做了一些能够在地面上模拟微重力的实验装置，但是想要长期观察植物在绝对无重力的环境下生长，太空中的空间站就成了最佳实验地点。
图片来源：NASA
再比如，我们要研发一款适合在月球上种菜的作物栽培装置，为了测试该装置是否有效，必须模拟出月球的重力，这大概是地球重力的六分之一。地面上的重力模拟总是会受到地球重力的干扰，不但费时费力，持续时间还很短，不适合开展长期的观察实验。而在太空的零重力环境下，我们可以相对容易而持久地创造不同重力大小的环境，模拟出月球、火星等等一系列的不同重力，为登月乃至登陆火星等探索计划提供试验条件。
因此，变重力实验柜作为一个公共实验平台，可以服务于多种科学项目，允许生物、流体、燃烧等各领域的科学家去研究重力影响的科学机制，为重力相关的研究提供外部平台环境。
如何实现变重力？原来是靠离心机啊
在围绕地球运转的空间站中，物体处于失重状态，这就是我们常说的太空零重力。在这个基础上，如何才能向物体施加可变的重力呢？
变重力实验柜的主要装置，是两套900毫米直径的离心机。
离心机旋转的过程中，因为惯性作用，实验载荷会有一个向外飞出的趋势，可以等效为物体受到一个沿着旋转半径向外的离心力。只要维持旋转，这个等效力就会一直存在，我们就用这个力来模拟物体受到的重力。这一“模拟重力”的大小与离心机的转速有关，因此只要控制转速，就可以实现变重力啦。
变重力实验柜所配备的接口，能够让多种多样的实验参与进来，充分体现了模块化设计的理念。无论是生物类、流体类的实验，甚至是燃烧类的科学项目，只要按照标准接口设计实验装置，就能够实现太空中的“即插即用”。
变重力实验柜都有哪些“黑科技”？
与同类变重力装置相比，本次发射搭载的变重力实验柜的离心机是目前在轨运行中最大的，这意味着可以同时容纳更多、更大的实验对象来参与实验，可以大规模地进行重力相关的研究课题了。
但是，想要维持一个更大的离心机的运转，不是简单地把一切都相应地做大就可以了。首先，我们要考虑到这个离心机的运转时间可能非常长，例如植物生长需要几个月的时间，中途必须一直维持离心机的稳定运转才可以持续模拟重力。这样一来，机器就需要想办法尽量减少磨损。
因此，实验柜的黑科技之一，就是无线传能系统。传统的离心机是采用导电滑环的方式来传递能量的，有物理接触，因此就有磨损。实验柜的设计寿命达十年以上，如果让几个部件在一起转着磨十年，铁杵磨成针的故事就不再是传说了。采用新的无线传能工作方式后，就可以把这种机械磨损降到忽略不计了。
无线传能结构及能量流图
有的小伙伴可能要问了：我的手机就能无线充电啊，这有什么先进的呢？的确，目前无线充电技术已经十分普及，但是大部分无线充电技术的额定功率仅有数十瓦。但我们的变重力实验柜中所应用的无线传能技术，其功率可以轻松达到300瓦以上，能量转换效率也超过80%。如此高的功率带来的最大问题就是散热，为此，实验柜专门配备了一套热控系统，将单纯的纯液冷散热升级为风冷加液冷的二级散热模式，并增加了第三级的半导体制冷，给风进一步降温。
除此之外，变重力实验柜还实现了在轨自动平衡技术。物体在旋转时，如果重心没有落在转轴上，就会出现偏心运动的现象。偏心不但会使摩擦加剧，严重时还会有毁坏离心机的危险。就像汽车轮胎补胎之后，都要把轮胎放在一个设备上，让轮胎高速旋转，测出其重心和转轴的偏差，然后采用配重的方式重新使其平衡。
实验柜在装载实验载荷时，各载荷的质量不可能相同，放置位置也不一定对称，整盘的质心就会偏离中心，另外实验载荷里的样品在实验过程中可能发生形态的变化，例如，植物逐渐长大，也会使离心机变得不再平衡。因此，必须能够及时调整离心机的配重，使其重新回到平衡状态。在轨自动平衡技术，就是能够让离心机自行监测自己的平衡参数，自动调节自身的配平块，不需要人工调节，也不需要停机，随时随地保证离心机的平衡状态，从而减少不必要的摩擦损耗，提高重力控制的精度。
在轨自动平衡调节演示
此外，变重力实验柜还搭载了复杂约束下离心机一体化、模块化设计技术，主要是基于中心驱动的大型旋转机构高刚度、高精度的传动、传能、测控一体化设计技术以及实验载荷模块的在轨快拆机构设计，保证航天员在轨操作的便利可靠。无论是生物类、流体类的实验，甚至是燃烧类的科学项目，只要按照标准接口设计实验装置，只需要航天员拿着实验单元进行简单操作，载荷的装载就完成了，真正实现了即插即用。
标准载荷快拆机构
结语
从古时起，人类就憧憬着冯虚御风的超自然能力，而本次问天实验舱所搭载的变重力实验柜，不但能够克服重力，而且能够实现最多两倍重力，相比之下，真可谓是不知道高到哪里去啦。而这一变重力实验柜的实现，离不开多项新技术的突破。感谢奋战在一线的科研团队的付出，让我们把古人脑海中的幻想变为美丽的现实。
未完待续
如果你还想了解更多“那些实验柜的事”，我们将继续请科学家们为大家详细解读生命生态实验柜和生物技术实验柜的构成、原理和意义，请大家持续关注哦。
(本文图片除注明来源者之外，均由撰稿人提供)
撰稿：周妍林(中国科学院空间应用工程与技术中心) 李响(中国科学院空间应用工程与技术中心) 牟福朋
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