問(wèn)天實(shí)驗艙的成功發(fā)射，并與天和核心艙成功對接，為天宮空間站送來(lái)了許多科學(xué)實(shí)驗柜，以開(kāi)展太空實(shí)驗，進(jìn)而解決有較大規模的、長(cháng)期有人照料的空間應用問(wèn)題。在這些實(shí)驗柜中，變重力科學(xué)實(shí)驗柜主要為科學(xué)實(shí)驗提供零重力到兩倍重力范圍的高精度模擬重力環(huán)境，用以研究不同重力環(huán)境下的物理、化學(xué)和生命科學(xué)現象。
變重力科學(xué)實(shí)驗柜示意圖
變重力研究有什么重要意義？這一實(shí)驗柜是如何實(shí)現改變重力的呢？請任務(wù)組的相關(guān)專(zhuān)家來(lái)為大家講解吧。
為什么要進(jìn)行變重力研究？
在地球表面的物體都會(huì )受到重力的作用，蘋(píng)果就是被重力拉扯而砸到牛頓的腦袋上的。重力有時(shí)很有用，但有時(shí)也會(huì )給科學(xué)家造成困擾。
例如，有這樣一個(gè)科學(xué)問(wèn)題：為什么我們無(wú)論以什么朝向播種種子，種子的根都會(huì )向下長(cháng)，而莖都會(huì )向上長(cháng)呢？經(jīng)過(guò)研究，科學(xué)家認為根系的生長(cháng)表現出向重力性，也就是根系中的一些生理過(guò)程能夠誘導根系向著(zhù)重力的方向生長(cháng)。那么，如何驗證這個(gè)假設呢？要是能夠找一個(gè)沒(méi)有重力的地方試著(zhù)種一下植物就好了，可是地球上是沒(méi)有這種地方的。雖然科學(xué)家做了一些能夠在地面上模擬微重力的實(shí)驗裝置，但是想要長(cháng)期觀(guān)察植物在絕對無(wú)重力的環(huán)境下生長(cháng)，太空中的空間站就成了最佳實(shí)驗地點(diǎn)。
再比如，我們要研發(fā)一款適合在月球上種菜的作物栽培裝置，為了測試該裝置是否有效，必須模擬出月球的重力，這大概是地球重力的六分之一。地面上的重力模擬總是會(huì )受到地球重力的干擾，不但費時(shí)費力，持續時(shí)間還很短，不適合開(kāi)展長(cháng)期的觀(guān)察實(shí)驗。而在太空的零重力環(huán)境下，我們可以相對容易而持久地創(chuàng )造不同重力大小的環(huán)境，模擬出月球、火星等等一系列的不同重力，為登月乃至登陸火星等探索計劃提供試驗條件。
因此，變重力實(shí)驗柜作為一個(gè)公共實(shí)驗平臺，可以服務(wù)于多種科學(xué)項目，允許生物、流體、燃燒等各領(lǐng)域的科學(xué)家去研究重力影響的科學(xué)機制，為重力相關(guān)的研究提供外部平臺環(huán)境。
如何實(shí)現變重力？原來(lái)是靠離心機啊
在圍繞地球運轉的空間站中，物體處于失重狀態(tài)，這就是我們常說(shuō)的太空零重力。在這個(gè)基礎上，如何才能向物體施加可變的重力呢？
變重力實(shí)驗柜的主要裝置，是兩套900毫米直徑的離心機。
離心機旋轉的過(guò)程中，因為慣性作用，實(shí)驗載荷會(huì )有一個(gè)向外飛出的趨勢，可以等效為物體受到一個(gè)沿著(zhù)旋轉半徑向外的離心力。只要維持旋轉，這個(gè)等效力就會(huì )一直存在，我們就用這個(gè)力來(lái)模擬物體受到的重力。這一“模擬重力”的大小與離心機的轉速有關(guān)，因此只要控制轉速，就可以實(shí)現變重力啦。
變重力實(shí)驗柜都有哪些“黑科技”？
與同類(lèi)變重力裝置相比，本次發(fā)射搭載的變重力實(shí)驗柜的離心機是目前在軌運行中最大的，這意味著(zhù)可以同時(shí)容納更多、更大的實(shí)驗對象來(lái)參與實(shí)驗，可以大規模地進(jìn)行重力相關(guān)的研究課題了。
但是，想要維持一個(gè)更大的離心機的運轉，不是簡(jiǎn)單地把一切都相應地做大就可以了。首先，我們要考慮到這個(gè)離心機的運轉時(shí)間可能非常長(cháng)，例如植物生長(cháng)需要幾個(gè)月的時(shí)間，中途必須一直維持離心機的穩定運轉才可以持續模擬重力。這樣一來(lái)，機器就需要想辦法盡量減少磨損。
因此，實(shí)驗柜的黑科技之一，就是無(wú)線(xiàn)傳能系統。傳統的離心機是采用導電滑環(huán)的方式來(lái)傳遞能量的，有物理接觸，因此就有磨損。實(shí)驗柜的設計壽命達十年以上，如果讓幾個(gè)部件在一起轉著(zhù)磨十年，鐵杵磨成針的故事就不再是傳說(shuō)了。采用新的無(wú)線(xiàn)傳能工作方式后，就可以把這種機械磨損降到忽略不計了。
無(wú)線(xiàn)傳能結構及能量流圖
有的小伙伴可能要問(wèn)了：我的手機就能無(wú)線(xiàn)充電啊，這有什么先進(jìn)的呢？的確，目前無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)已經(jīng)十分普及，但是大部分無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的額定功率僅有數十瓦。但我們的變重力實(shí)驗柜中所應用的無(wú)線(xiàn)傳能技術(shù)，其功率可以輕松達到300瓦以上，能量轉換效率也超過(guò)80%。如此高的功率帶來(lái)的最大問(wèn)題就是散熱，為此，實(shí)驗柜專(zhuān)門(mén)配備了一套熱控系統，將單純的純液冷散熱升級為風(fēng)冷加液冷的二級散熱模式，并增加了第三級的半導體制冷，進(jìn)一步降溫。
除此之外，變重力實(shí)驗柜還實(shí)現了在軌自動(dòng)平衡技術(shù)。物體在旋轉時(shí)，如果重心沒(méi)有落在轉軸上，就會(huì )出現偏心運動(dòng)的現象。偏心不但會(huì )使摩擦加劇，嚴重時(shí)還會(huì )有毀壞離心機的危險。就像汽車(chē)輪胎補胎之后，都要把輪胎放在一個(gè)設備上，讓輪胎高速旋轉，測出其重心和轉軸的偏差，然后采用配重的方式重新使其平衡。
實(shí)驗柜在裝載實(shí)驗載荷時(shí)，各載荷的質(zhì)量不可能相同，放置位置也不一定對稱(chēng)，整盤(pán)的質(zhì)心就會(huì )偏離中心，另外實(shí)驗載荷里的樣品在實(shí)驗過(guò)程中可能發(fā)生形態(tài)的變化，例如，植物逐漸長(cháng)大，也會(huì )使離心機變得不再平衡。因此，必須能夠及時(shí)調整離心機的配重，使其重新回到平衡狀態(tài)。在軌自動(dòng)平衡技術(shù)，就是能夠讓離心機自行監測自己的平衡參數，自動(dòng)調節自身的配平塊，不需要人工調節，也不需要停機，隨時(shí)隨地保證離心機的平衡狀態(tài)，從而減少不必要的摩擦損耗，提高重力控制的精度。
在軌自動(dòng)平衡調節演示
此外，變重力實(shí)驗柜還采用了復雜約束下離心機一體化、模塊化設計技術(shù)，主要是基于中心驅動(dòng)的大型旋轉機構高剛度、高精度的傳動(dòng)、傳能、測控一體化設計技術(shù)以及實(shí)驗載荷模塊的在軌快拆機構設計，保證航天員在軌操作的便利可靠。無(wú)論是生物類(lèi)、流體類(lèi)的實(shí)驗，甚至是燃燒類(lèi)的科學(xué)項目，只要按照標準接口設計實(shí)驗裝置，只需要航天員拿著(zhù)實(shí)驗單元進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，載荷的裝載就完成了，真正實(shí)現了即插即用。
標準載荷快拆機構
從古時(shí)起，人類(lèi)就憧憬著(zhù)馮虛御風(fēng)的超自然能力，而本次問(wèn)天實(shí)驗艙所搭載的變重力實(shí)驗柜，不但能夠克服重力，而且能夠實(shí)現最多兩倍重力，相比之下，真可謂是不知道高到哪里去啦。而這一變重力實(shí)驗柜的實(shí)現，離不開(kāi)多項新技術(shù)的突破。感謝奮戰在一線(xiàn)的科研團隊的付出，讓我們把古人腦海中的幻想變?yōu)槊利惖默F實(shí)。（本文圖片均由撰稿人提供）
撰稿：周妍林，中國科學(xué)院空間應用工程與技術(shù)中心；李響，中國科學(xué)院空間應用工程與技術(shù)中心；牟福朋。
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