“天宫课堂”科学实验柜 细节中展现国家太空实验室魅力
2022/3/24 17:00:00 中科院之声
3月23日下午，“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富再次呈现了一堂精彩的太空科普课。值得关注的是，这次太空授课，除了演示微重力环境下的结晶、液桥、水油分离以及太空抛物等实验，航天员还重点展示了载人航天工程空间应用系统的两个科学实验柜——高微重力科学实验柜和无容器材料实验柜，让青少年初步感受到国家太空实验室的科学魅力。
双层悬浮打造高微重力
航天员叶光富开始先向同学们介绍了高微重力环境对于科学实验的重要性，王亚平打开身边的柜门，为大家展示高微重力科学实验柜的核心部分——悬浮实验台，叶光富展示了之前与地面科学家配合开展柜外实验的画面。
据中科院空间应用工程与技术中心高微重力科学实验柜副主任设计师王蜀泉研究员的介绍，这个悬浮实验台采用双层结构设计，内层采用磁悬浮技术，解锁后，通过电磁力对柜体进行六自由度控制漂移，内体就可以获得比平台微重力环境高2-3个数量级的微重力水平。外层采用喷气控制，带动外体跟随内体运动。喷气加磁悬浮双重控制，可以尽量抵消空气扰动、平台振动等造成的影响。
悬浮实验台既可以在实验柜体内进行实验，也可以在柜体外进行实验。在柜外，悬浮试验台可以进行更高微重力水平的双层悬浮实验，实现长时间的
g量级的微重力水平。支持利用空间冷原子干涉实验检验爱因斯坦等效原理实验，以及微重力流体动力学及材料科学研究、惯性和加速度传感器研究等领域的实验。
无容器“助力”探究宇宙奥秘
介绍完高微重力实验平台之后，叶光富来了个90度转身，又向同学们展示了位于航天员头顶上方的另一个“悬浮高手”——无容器材料实验柜。
在无容器实验平台的腔体内，实验样品可以在微重力环境下通过静电场实现悬浮稳定控制，与容器的内表面完全不接触，所以叫做“无容器”。这样就避免了容器材料对样品的影响，可以更精确地测量试验样品的重要物理性质。
“太空教师”航天员王亚平结合无容器实验柜腔体内开展的锆金属实验过程。画面上，一颗金属小球悬浮在实验腔体中，经过样品推出、悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等过程，完成实验。
据空间应用系统科学实验柜总体主任设计师张立宪研究员介绍，无容器实验柜由无容器实验平台、真空与加压模块、实验电控模块等组成。
其中，核心功能模块是包含一个实验腔体的无容器实验平台。王亚平展示的科学实验画面由部署在实验腔上的全景相机及高速相机拍摄。此外，腔体上还通过窗口安装了半导体激光器、CO?激光器等加热装置，以及单波长测温仪、双波长测温仪、等多种观察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量。
张立宪说，静电力实现带电实验样品的悬浮位置控制，控制精度能达到±0.1mm。样品悬浮稳定后，对其进行加热，最高温度能达到3000度。可以利用“无容器”开展金属和非金属无容器深过冷凝固过程与机理研究、具有重大应用背景的新型功能材料制备研究以及高温熔体的热物性精确测量研究等。
比如，未来要开展我国新一代燃气轮机叶片高温合金凝固机理研究和热物性测量，掌握叶片高温合金制备关键条件和高温物性数据。后续还要开展模拟合成陨石及月幔物质的熔融结晶实验，加热熔融星云物质中的球粒和难熔包体，进行物性测量，研究太阳系早期热环境的制约因素，从而有望更好认识太阳系早期的环境特征。
每一个科学实验柜相当于一个综合性的领域实验室，可以支持开展单学科或多学科交叉的空间科学实验。“天宫课堂”的最后，用一段视频展示了天宫空间站上的各领域科学实验柜以及巡天光学望远镜等研究设施。
中科院空间应用工程与技术中心作为空间应用系统的总体单位，组织完成了多领域十余台科学实验柜的研制任务。载人航天工程空间应用系统副总师王珂研究员介绍说，实验柜采用模块化设计，在轨可通过航天员操作更换实验单元或实验样品，支持科学研究项目的滚动实施。
今年，中国空间站即将建成，未来将支持空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用等四大学科领域的上千项科学实验项目。面对大规模空间实验项目实施，为了支持空间站在轨运行期间的长期科学实验开展，中科院空间应用工程与技术中心运用数字孪生、大数据及云计算等技术，建设地面实物与虚拟镜像系统，打造天地一体化协同智能运营体系，促进太空实验室的高效科学产出。
来源：中国科学院空间应用工程与技术中心
温馨提示：近期，微信公众号信息流改版。每个用户可以设置 常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过“中科院之声”的文章，你一定要进行以下操作：进入“中科院之声”公众号 → 点击右上角的 ··· 菜单 → 选择「设为星标」
源网页 http://weixin.100md.com
返回 中科院之声 返回首页 返回百拇医药