五十多年来,全球性对地观测已形成强大的技术能力和系统体系,在不同应用领域发挥了重要作用.随着对陆地,大气,海洋研究的深入,地球系统科学和全球变化研究正在向空间对地观测技术提出新的重大战略性需求.本文描述了面向全球变化应对,发展全球变化系列科学卫星的方案;提出面向宏观地球科学现象探测,构建月基对地观测系统的设想;同时,作为宏观地球科学现象研究的一个方向,论述了利用地球科学卫星和月基对地观测技术开展全球变化"三极"对比研究的思路.

天舟一号除了要运货，与天宫二号交会对接（验证自主快速交会对接技术）、实施推进剂在轨补加（“太空加油”），还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

#空间实验机会太宝贵 绝不能浪费#

官方说法，“天舟一号”发射成功的话，我国将成功迈入空间站时代。

这次的空间科学实验和技术试验任务，也多与空间站建设和未来规划有关。

微重力对细胞增殖和分化影响的研究

这次的科学实验包括 8 个课题。微重力环境下胚胎干细胞定向分化，空间骨丢失机制实验，微重力环境下胚胎干细胞培养实验及抗失重情况下的骨质疏松新药开发等……

我们在 这个问题下，说到养细胞的时候，已经举例进行了介绍。

这次的实验集中研究微重力对干细胞增殖分化，生殖细胞分化、以及骨组织细胞结构功能影响，研究成果可用于心脏、肝脏疾病以及骨质疏松症等方面的治疗。

两相系统实验平台的关键技术研究

非牛顿引力实验检验的关键技术验证

1. 两相系统实验平台的关键技术研究

负责人是中国科学院力学研究所刘秋生研究员。参研单位除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间应用中心和东南大学。

这个项目将进行空间蒸发与冷凝科学实验，对两相系统实验平台的关键技术进行研究。这是中国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技术实验研究，也是中国首次在一个空间实验装置中开展 2 种以上科学与技术实验的多目标流体物理空间实验。

（1）空间蒸发与冷凝流体界面热质传输特性，

（2）重力对相变流体传热传质过程的影响规律

（3）空间相变传热强化机制

项目除了实验部分，还会有技术方面的验证。主要是空间实验工质供给、汽 / 液分离和回收技术验证，和空间热管理与两相回路控制关键技术验证。

20 多天的在轨科学实验里：

分别在轨开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝三种类型的科学研究、两相流体控制技术验证四个阶段的空间实验，实验时间共计 200 多小时。

处于组合体飞行段，实验 2 天。

相继开展蒸发液层 / 滴实验，冷凝，和两相回路调试等共计 10 次实验。

处于组合体飞行段，实验 10 天。

计划开展蒸发液层、蒸发液滴，冷凝实验，和两相回路调试共计 45 次实验。

处于自主飞行段，实验 5 天。

开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝实验共计 22 次实验.

处于自主飞行段，实验连续 3 天半。

相继开展蒸发液层、蒸发液滴、冷凝实验和两相回路技术验证等共计 16 次实验。

这是国内首次实现对微重力蒸发与冷凝过程中多物理量场的实时观测，可望获得空间蒸发和冷凝液膜的时空演变规律、相变非平衡热动力学特征等研究方面的新成果；预期能够验证多项空间在轨两相流体管理与热控等关键技术，为空间站两相系统实验柜的工程研制奠定技术基础；在此领域内率先获得科学研究成果和实验技术突破。

上面就是以后要放在空间站的两相系统科学实验柜大概的样子。

为什么要做这个实验，验证这些技术？

要建设空间站，给宇航员提供生命保障系统，这个项目就十分重要。

图. 空间在轨流体管理

出现流体的地方太多了，流体流体还是流体……

但是地球环境和空间环境是不同的，流体的“表现”也不同。我们的已有理论，去了空间以后不好用了。

在地球上，蒸发与对流对我们的生活产生了非常多的影响。例如，空调、热管等热设备都是利用相变传热原理设计的换热器。

空间飞行器（如载人空间站、卫星）中所处的微重力环境，没有自然对流，这将极大影响蒸发与冷凝相变过程，热设备工作的环境也将与我们地球上完全不同。

那么，地球上的空调和热管等散热器是否可以直接用到太空中？它们在太空还可以正常的工作吗？如果不能照搬地球上的现有热设备，“太空空调、太空热管”等空间热设备应该怎样设计或怎样使用？才能更好用或更耐用？

前期欧美的空间实验已经初步发现，空间微重力环境中的一些热设备工作环境恶化，导致换热效率明显降低、使用寿命不如地面预期等技术问题。

分析原因主要是空间与地面过程存在明显不同。

那么，空间蒸发与冷凝过程中发生了什么变化？影响相变传热的热交换系数有多大改变？是变高了还是低了？如果变低了，是哪些因素造成的？

要想科学准确的回答上述问题，就需要利用空间微重力环境开展空间实验，研究空间相变传热的特殊现象，认识其特殊规律，进而掌握克服空间相变传热不利影响的新方法和新技术，用于研制能很好适用于太空环境中的热设备。

特别是，我们现在对微（变）重力环境中的相变界面热毛细流动、空间两相流体界面的瑞利 - 泰勒（R-T）不稳定性、毛细输运稳定性等新问题和新现象的相关理论可以说是认知匮乏，所以更有必要做这些实验，验证这些技术，从而为空间站建设及运行所需的空间热流体设备和空间在轨流体管理提供支持。

而且，与地面相比，在空间研究流体的蒸发与冷凝还挺有优势。

蒸发与冷凝相变流体界面具有比一般流体界面更为复杂的流体动力学现象,如自由表面流动更无规律可循，热边界条件不再遵循简单的工程热力学模型，空间微重力环境使得流体界面效应得到相对的放大，并同时剥离了地面重力引起的浮力效应对相变界面流动与传热的主要影响。

微重力条件也使得许多因重力而产生的力项得以削弱，对冷凝过程的影响因子相对减少，有利于对冷凝过程机理的深入探究。

因此，我们在空间可以实现对液体变成气体的蒸发界面和蒸汽变成液体的冷凝界面热、质交换物理模型的精准验证和理论分析，给出更普适的相变界面热动力学理论模型。

2. 非牛顿引力实验检验的关键技术验证

由华中科技大学引力实验中心负责。

计划利用微重力环境，检验微米作用距离下物体之间的引力是否仍然满足牛顿万有引力定律。

这是一个纯基础物理实验，对于统一四种相互作用、探寻新的相互作用等研究具有重要意义。

要做这个实验，必须先发展出高精度的微弱力测量技术。

图 非牛顿引力实验检验装置探头盒和电控盒

为此，项目组发展了基于皮米级电容传感和微伏级静电控制技术的加速度计，称之为静电悬浮加速度计。如上图所示， 由两个设备组成，其中探头盒实现高精度加速度的测量，电控盒为探头盒提供电源保障和实现与卫星平台之间的数据通信功能等。

该加速度计是非牛顿引力实验的技术基础，作为弱力测量传感器或者惯性参考是空间引力实验必不可少的关键载荷之一。

本次空间实验目的就是利用天舟一号货运飞船的空间环境，对高精度静电悬浮加速度计进行在轨检验。

通常地球表面重力加速度为1g，本项目验证的静电悬浮加速度计分辨本领达到10^-11g 量级，相对于地球表面重力加速度的大小而言，可以分辨其小数点后第 10 位的加速度变化，极其精密。

说这么多，静电悬浮加速度计能干什么？

高精度空间加速度计作为弱力测量传感器或者惯性参考，是空间引力实验必不可少的关键载荷之一。

例如，去空间探测引力波。

2016 年，美国地基激光干涉引力波探测器 LIGO 工作组两次报道探测到了两个黑洞并合时发出的引力波，引起了全世界高度关注，引力波探测及引力波天文学势必将成为新的科技制高点之一。

空间引力波探测将利用数十万到上百万公里距离的多个航天器编队组网开展引力波探测，该波段具有更丰富的引力波源，成为了该领域研究热点之一。空间引力波探测中，需要更高精度测量和控制航天器的加速度扰动，需要达到 10^-15m/s^2 甚至更高，基于电容位移传感和静电反馈控制的惯性传感器就成为首选的研制方案。

总得来说，本次飞行实验将进一步为空间站开展“非牛顿引力实验检验”、“空间等效原理实验检验”以及“空间引力波探测”等实验检验奠定基础。

不过，天舟一号在飞行过程中，并非一直处于非常平稳的状态，静电悬浮加速度计会受到航天器振动噪声的干扰。

好在它有一位非常好的搭档，天舟一号货运飞船同时搭载了中科院空间应用工程与技术中心研制的主动隔振装置，该装置能够隔离飞船振动干扰，为静电悬浮加速度计提供了一个安静实验平台。

3. 主动隔振关键技术验证

由中国科学院空间应用工程与技术中心负责。

（1）在空间进行六自由度主动隔振关键技术验证，评估六自由度主动隔振控制算法，测试验证主动隔振系统的功能和性能指标；

（2）在飞船平稳期为非牛顿实验检验关键技术验证装置提供高水平微重力环境。

为什么要做主动隔振关键技术验证？

生活中，当我们手里拿着一杯满满的水，走动时，水就容易洒；当我们手里拿着相机，如果发生抖动，照片就会模糊。在工业生产中，静密加工平台中遇到振动，就会造成加工失败；结晶体中遇到振动，晶体生长就会出现瑕疵；吊舱相机中发生晃动，会影响图像质量。

而航天器上，虽然处于微重力环境，但是由于星上、船上的姿轨控、风机、飞轮、帆板的动作，带来了很多扰动。

根据国内外微重力测量及分析结果，表明空间飞行器由于受到各种扰动作用力的影响，其内部微重力水平并不理想。

科学实验（流体、材料、基础物理实验）如果不能克服这些微扰动，就达不到理想的微重力效果，失去了上天实验的意义。此外，星上的高分辨对地观测相机、天文相机，如果遇到振动，就会发生成像模糊。激光通信、激光扫描，如果遇到船体振动，就会造成光线发散，能量耗散。

所以，为保证更好的微重力环境水平，实现更理想的科学研究成果，就要研制基于主动隔振装置，实现髙微重力环境，才能给航天器上的实验创造更好的条件。

图 主动隔振装置电控箱及主体

主动隔振系统由定子和浮子两部分构成，利用磁悬浮主动控制技术，使浮子和定子非接触，从而隔离来自飞船平台的振动。控制器通过加速度计感知浮子加速度的变化，通过位置敏感器感知定子浮子相对位置的变化，并计算反馈电流，驱动电磁激励器，形成闭环控制。

图 主动隔振装置工作原理

主动隔振装置由主体和电控箱两台单机构成，非牛顿引力验证装置安装在主体的浮子上，通过屏蔽罩封闭。

未来，空间站要广泛应用这项技术，相机上也可能应用到这项技术

这项技术属于国内首次实施，将使中国成为继美国和加拿大后第 3 个在轨采用主动隔振控制技术服务于空间微重力实验研究的国家；将极大支持和推动空间站高微重力实验平台的研制建设，取得的技术成果，可以直接服务于未来我国空间站阶段的空间科学实验载荷。

未来，长期目标是做强空间磁悬浮主动隔振的技术，为更多空间应用载荷服务，例如空间光学相机、激光通信等，助力他们达到更高的指标水平，实现更高的科学和技术成果。

这项技术还可能在航空光学吊舱、车船减振、工业精密加工、相机防抖等方方面面发挥作用。

看到这里，也许有人会问，既然这是首次实施，那以前的实验都怎么做的呢？

毛主席在《反对党八股》一文中，曾引用一句话，叫“量体裁衣，看菜吃饭”。

开国大典时阅兵飞机太少，周总理说，“那就飞两遍吧”。

在没有主动隔振平台支持的时候，就，别做精度这么高的实验呗……

制作：中国科学院空间应用工程与技术中心董文博团队 中国科学院力学研究所刘秋生团队 华中科技大学引力中心

监制：中国科学院计算机网络信息中心