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中国科学院微重力重点实验室漫步
    时间:2016-4-19     点击率:18045

中国科学院微重力重点实验室漫步

编者按:2016116日,是力学研究所成立60周年纪念日。在1956年的这一天,陈毅副总理亲笔签署的国务院批复文件下达,中国科学院力学研究所正式成立,钱学森先生担任首届所长。在力学所走过的一甲子年间,力学人遵循钱学森的工程科学办所思想,为推进中国的近代力学事业、为推动中国的经济国防建设,做出了重要的贡献。本刊在此介绍中国科学院微重力重点实验室,以展现力学所的研究工作风貌。

胡文瑞院士在力学所做学术报告

中国科学院微重力重点实验室(Key Laboratory of MicrogravityChinese Academy of  Sciences)的依托单位为中国科学院力学研究所。它在20084月通过中国科学院重点实验室的评审,正式纳入中国科学院重点实验室体系的。其前身是国家微重力实验室(National Microgravity Laboratory, Chinese Academy of Sciences),它在1995年通过863-2专家委员会评审,并开始建设的。经过20余年的建设、运行与发展,实验室已成为我国微重力研究中心和用户支持中心,不仅在国家重大科学与应用任务以及学科前沿探索两个方面、在空间科学实验和地基基础研究两个层次上均做出了显著成积,而且还在重大项目立项、杰出人才培育、重大成果产出、研究装备升级等方面都取得重要突破。我们更期待着实验室将为国家载人航天工程和空间科学计划做出愈来愈多的贡献,并在国际微重力领域发挥愈来愈大的学术影响。

微重力科学是近二、三十年来迅速发展起来的一门前沿科学,随着我国载人航天工程发展规划的制定,微重力科学研究作为空间资源利用的主要方面,有着重大的需求和发展前景。我国微重力科学研究始于上世纪八十年代,其开创者为胡文瑞院士。八十年代中期,时任力学研究所基础力学研究室主任的胡文瑞,率先倡导并组织一些对微重力研究有兴趣的科研人员,开展微重力科学研究方面的调研和讨论,逐渐形成在我国开展微重力科学研究的思路。1986年,胡文瑞以863-205计划项目作为起步,逐步深入和扩大相关研究工作,并将基础力学研究室的天体力学课题组重新整合成为微重力研究组。1988-1991年期间,胡文瑞主持了中国科学院“七五”重中之重项目“微重力科学基础研究”1993年,微重力研究组(组长胡文瑞)与生物力学研究组(组长陶祖莱)从基础力学研究室独立出来,共同组成力学所的微重力研究室。胡文瑞作为负责人,在1993年完成了建设国家微重力实验室的可行性研究报告的论证;在1994年,又完成了建设任务书的制定;从1995年开始领导了国家微重力实验室的承建工作,并被正式任命为实验室主任。微重力实验室的组织结构如下:

目前,实验室的学术方向为:以微重力流体科学为重点开展微重力基本规律的创新研究,促进与空间材料科学和空间生命科学与生物技术的交叉与融合,组织具有重要基础意义和应用前景的重大项目,承担国家重大科学和应用任务,建成为我国的微重力研究中心和用户支持中心,并成为国际微重力研究的重要基地之一,为国家载人航天计划和空间科学计划做出应有的贡献。为此,实验室建成了地面短时微重力实验装置,这是一类自由落体设施,包括落塔和落管两个装置。其中,我国唯一的百米落塔,配有先进的测量、监测与控制设备,在技术性能上接近国际先进水平:微重力水平为10-5g,微重力时间为3.6秒,实验载荷质量为70公斤。特别是,它创新性地采用了弹性回收网设计来实现落舱的回收,回收冲击载荷不大于12g,达到目前的国际最好水平。落塔为微重力地基实验提供了良好的模拟环境,可以开展我国空间计划重要项目的预先研究。其中,落管的高度为52, 内径200毫米,微重力时间为3.26秒,微重力水平优于10-6g,配有电阻加热炉,电磁悬浮炉,电子束轰击炉等,是进行材料科学地基短时微重力研究重要设施。此外,实验室还具有微重力地基实验平台,它包括了六个测试系统多相流红外观测及检测系统,微重力样品、材料制备系统,热毛细对流稳定性温度、速度和振动检测系统,微重力有效载荷在轨综合测试系统,微重力虚拟卫星仿真平台及分子细胞检测系统,复杂流体显微观测、测试和分析系统。利用实验室具备的实验系统,可以开展微重力条件下具有界面或自由面的流体运动研究,多相流体及非均相流体的运动研究,蛋白质晶体生长机理、重力对细胞和组织培养生长的影响研究、细胞-亚细胞-分子生物力学研究,半导体晶体、复合材料、非晶及电子封装材料等的生长过程、其传热传质特性及稳定性研究,可开展预混和扩散火焰的基本结构、燃烧过程的研究等等。

1 微重力实验室百米落塔的外景照片

2 微重力实验室落管的外观照片

微重力实验室现有的研究工作包括理论研究、地基实验研究和空间科学实验三个方面。实验室研究团队围绕着流体物理、燃烧、生物力学、纳米生物技术以及与材料科学和生命科学的交叉与融合等领域,开展了一系列空间科学实验,到目前为止,已经在“实践5号”科学实验卫星、俄罗斯“和平号”空间站与IL-76失重飞机、“神舟4号”飞船、22颗返回式卫星、“实践8号”返回式育种卫星以及“实践10号”。鉴于上述工作,2003年,力学所为完成单位之一,获得了国家特等奖《中国载人航天工程》。

201646日发射的“实践10号”,是专门用于微重力科学和空间生命科学空间实验的返回式科学实验卫星,是中国科学院“空间科学先导专项”立项的科学卫星之一。其回收舱在轨运行12天后将携带实验材料、样品返回地面,而留轨舱将继续在轨工作3-5天。空间实验期间,所有的工程参数、科学数据均通过遥测、数传下行通道传输到地面,科学家在地面进行及时的在线处理、分析,并安排空间实验计划的调整。“实践10号”是我国开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台,它将完成19个科学实验任务(其中微重力科学实验任务10项,空间生命科学实验任务9项),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、空间生物技术等6个学科领域。中国科学院微重力重点实验室负责完成6项微重力物理科学实验和1项空间生命科学实验,简介如下。

1蒸发与流体界面效应空间实验研究

它利用自行研制的“蒸发对流箱”,观测液滴蒸发传热过程与表面张力驱动对流的耦合作用现象;实现空间微重力环境中的附壁(控温固壁底座)液滴成形和蒸发过程;观测空间液滴蒸发过程中的形貌与接触角变化,获得空间液滴蒸发速率、热流量和温度等科学实验数据。

3 蒸发对流箱内部组成实物图

2微重力沸腾过程中的气泡动力学特征研究

它利用“沸腾气泡箱”完成不同过冷度条件下单气泡沸腾和常规池沸腾两种模式的空间科学实验,获得微重力沸腾过程中的气泡动力学行为特征的图像与数据,对微重力池沸腾现象中气泡生长过程的热动力学特征进行细致观测,认识生长气泡周围细观流动、气泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征,揭示气泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制,理解沸腾传热内在机理。

4 沸腾气泡箱正样飞行件结构示意图

3)热毛细对流箱表面波空间实验研究

它利用环形(圆柱形) 液池热毛细对流空间实验系统(热毛细对流箱),采用加热或制冷方式,,并通过高灵敏度热电偶测量流体温度、位移传感器测量流体界面形变、以及红外摄像等方式获得热毛细对流振荡特征、转捩条件、转捩过程、流动模式转换等,同时开展体积比问题研究,以期深刻理解热毛细对流的不稳定性和机理。

5 热毛细对流箱内部结构设计图和实物图

4)空间胶体自组装实验

它利用自行研制的“胶体材料箱”和创新设计的“液滴注入/维持技术”与“空间显微观察技术”,研究微重力条件下的胶体组装现象,阐明重力在胶体组装过程中的影响,为未来胶体晶体的应用提供理论支持和实验依据,以期为实现大面积高质量胶体晶体的制作,进而在未来制备出具有实用价值的光子晶体器件提供思路。

6 胶体材料箱在地检测试中

5)微重力条件下石油组分热扩散特性的研究和Soret系数的测量(SCCO

它是国际上一系列的SCCO 研究项目之一,是以欧空局为主,利用中国的返回式卫星,搭载欧方和中方共同研制的仪器设备,完成石油组分在设定的温度梯度和压力条件下的热扩散系数测量,以期帮助准确预测油田中石油组分分布和油气界面位置,指导石油的开采并降低开采成本。

7 中方研制的E-box () 和欧方研制的C-box ()C-box 内部样品池(右)

6)典型非金属材料在微重力境中的着火及燃特性研究

它以人航天器内的防火安全为应用目微重力条件下 (thermallythick) 非金属材料的燃特性研究。通过卫星空间实验,研究固体材料在微重力条件下的着火和燃特性,分析燃料种类、形状和境气流等因素材料着火和火焰播机理的影响律,并将其与地面实验结果、数拟结果相照,认识微重力境中火灾生和演律,建立非金属材料火焰播和可燃极限模型。

8 非金属材料燃烧实验设备外观照片

(a)                                  (b)

9 非金属材料燃烧实验设备内部细节:(a) 实验段组件 (b) 风扇和传感器

7)微重力下细胞生长与物质输运

它在微重力环境下,利用输送培养液的泵阀系统和培养器腔室结构设定和调控流动条件与物质交换条件,记录细胞显微观察图像,并通过收集细胞培养液上清,细胞在线分步化学固定以进行回地分析等手段,获得不同物质输运条件下的内皮细胞以及骨髓间充质干细胞的形态图像数据、细胞葡萄糖及氧代谢数据、细胞骨架荧光染色数据、基质分泌数据以及增殖动力学数据、肝向分化数据等,以认识空间微重力环境下细胞生长、代谢、结构重组、功能分泌及定向分化等生物学过程对物质输运条件的依赖规律。

10 微重力下细胞生长与物质输运空间实验装置内观照片

胡文瑞院士是“实践10号”卫星工程的首席科学家。力学研究所是卫星工程的六大系统之一科学应用系统的总体责任单位,系统总指挥黄晨光副所长、总师康琦研究员。空间实验期间,中科院三亚站、喀什站、密云站完成科学数据地面接收,国家空间中心地面支撑系统运控中心及时将实验数据、图像和视频传输到力学所落塔园区科学应用系统运行中心,科学应用系统科学家团队在力学所运行中心进行数据的判读、处理和分析,并根据空间实验结果提出后期实验调整计划。

11 “实践10号”返回式科学实验卫星在组装测试中

12 “实践10号”返回式科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射

 

                                             (王柏懿撰文)   


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