物理學(xué)研討論文

導(dǎo)語(yǔ)：物理學(xué)研討論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要近些年來,在微重力環(huán)境中進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究涉及到許多重大的基礎(chǔ)物理課題,引起了國(guó)際理論物理界的關(guān)注,并被稱為空間的基礎(chǔ)物理學(xué);進(jìn)而,各國(guó)的空間局逐漸將微重力科學(xué)稱之為空間的物理學(xué),但空間的物理學(xué)并沒有改變微重力科學(xué)的基本內(nèi)容.隨著國(guó)際空間站逐漸組裝完成,空間站成員國(guó)正抓緊安排計(jì)劃中的微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)會(huì)在2016年以前取得一批重大成果.另一方面,需要在專門衛(wèi)星上進(jìn)行的引力理論和廣義相對(duì)論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),也在安排之中.在美國(guó)進(jìn)行GP-B衛(wèi)星計(jì)劃后,探測(cè)引力波的LISA計(jì)劃受到廣泛的關(guān)注.空間的物理學(xué)將在促進(jìn)重大學(xué)術(shù)成果和開拓新的技術(shù)發(fā)展兩方面不斷取得進(jìn)展.

關(guān)鍵詞微重力科學(xué),基礎(chǔ)物理,流體物理,燃燒學(xué),材料科學(xué),生物技術(shù)

AbstractInrecentyearsfundamentalphysicsinamicrogravityenvironmenthasattractedmuchattentionfromtheoreticiansintheinternationalcommunity,andhasbeengiventhenameoffundamentalphysicsinspace.Furthermore,microgravitysciencehasgraduallybecomeknownasphysicsinspaceamongstthespaceagenciesofthechiefspacecountries.However,physicsinspacehasnotchangedthecontentsofmicrogravityscience.AstheInternationalSpaceStationnearscompletion,itsmembercountriesareworkinghardtoschedulethemicrogravitysciencemissions,andimportantresultsshouldbeobtainedbefore2016.Ontheotherhand,plansforspacetestsonthetheoriesofgravityandgeneralrelativityonboardspecialsatellitesareunderway.AftertheGP-BsatelliteexperimentbyNASA,theLISAprogramforspacemeasurementofgravitationalwavesarousedbroadinterest.Physicsinspacewillcertainlymakegreatstridesinbothpromotingimportantscientificachievementsandindevelopinghightechnologyforapplications.

Keywordsmicrogravityscience,fundamentalphysics,fluidphysics,combustion,materialssciences,biotechnology

1引言

當(dāng)一個(gè)空間飛行器環(huán)繞地球以第一宇宙速度自主飛行時(shí),我們可以選擇一個(gè)(局部)慣性參考系,其原點(diǎn)位于空間飛行器的質(zhì)心位置.如果不考慮大氣阻力､光輻射壓力､質(zhì)心偏離引起的各種擾動(dòng)力,則空間飛行器中物體受到的地球引力與運(yùn)動(dòng)離心力抵消,物體處于“失重”狀態(tài),或者說物體處于微重力水平中.所謂“微重力”是指該處的有效重力水平為地球表面重力水平的10-6.在實(shí)際的繞地球飛行器中,有效重力水平與頻率相關(guān),低頻時(shí)達(dá)到10-3,高頻時(shí)優(yōu)于10-6.除了地面的落塔､拋物線飛行的失重飛機(jī)和可達(dá)十幾分鐘的微重力火箭外,用于微重力實(shí)驗(yàn)的空間飛行器有返回式衛(wèi)星和不返回衛(wèi)星､載人飛船､航天飛機(jī)和空間站.各種載人空間飛行器不可避免人的干擾,飛行器中的有效重力很難達(dá)到微重力水平;而驗(yàn)證引力理論的高分辨率空間實(shí)驗(yàn)需要非常低的飛(femto,亳微微)重力至阿(atto,微微微)重力環(huán)境,一般需要發(fā)射專門的基礎(chǔ)物理衛(wèi)星.

隨著載人空間活動(dòng)的發(fā)展,人們需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微重力環(huán)境中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從而發(fā)展了微小重力這種極端環(huán)境下的學(xué)術(shù)領(lǐng)域——微重力科學(xué).在微重力環(huán)境中,地球重力的影響極大地減弱,控制地面過程的浮力對(duì)流､沉淀和分層以及由重力引起的靜壓梯度都極大地降低,表面張力和潤(rùn)濕等作用變得突出.從上世紀(jì)七八十年代以來,微重力科學(xué)主要研究微重力流體物理､微重力燃燒､空間材料科學(xué)和空間生物技術(shù).近十余年來,微重力條件提供的高精度物理環(huán)境吸引了一批理論物理學(xué)家,他們希望利用空間的微重力環(huán)境能更好地檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和引力理論以及低溫原子物理和低溫凝聚態(tài)物理的許多基礎(chǔ)物理前沿問題.這樣就形成了微重力科學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域——空間基礎(chǔ)物理.近來,人們常常把這些微重力科學(xué)的領(lǐng)域統(tǒng)稱為空間的物理學(xué),它是利用微重力環(huán)境來研究物理學(xué)規(guī)律,以區(qū)別于在地面重力環(huán)境中的物理學(xué).要指出的是,中文的“空間的物理學(xué)”和“空間物理”是兩個(gè)不同的概念,后者主要研究太陽(yáng)系等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行星科學(xué),而不涉及基礎(chǔ)物理的前沿問題.

2空間基礎(chǔ)物理

2.1廣義相對(duì)論驗(yàn)證和引力理論[1]

引力質(zhì)量mg和慣性質(zhì)量mi相等的(弱)等效原理是廣義相對(duì)論愛因斯坦強(qiáng)等效原理假設(shè)的基礎(chǔ)[12].有文獻(xiàn)記載的弱等效原理驗(yàn)證始于牛頓的擺實(shí)驗(yàn),Eotvos的扭稱實(shí)驗(yàn)更為精確;現(xiàn)代的月-地激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)則檢驗(yàn)了強(qiáng)等效原理[12].到目前為止[12],弱等效原理的實(shí)驗(yàn)精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已達(dá)10-13,在地基實(shí)驗(yàn)中已再難提高.現(xiàn)在的一些引力理論認(rèn)為,將測(cè)量精度提高到10-15以上有可能揭示廣義相對(duì)論的問題,具有很大的學(xué)術(shù)價(jià)值,這只能在空間微重力條件下才能實(shí)現(xiàn)[2].國(guó)際上蘊(yùn)釀多年的“等效原理的衛(wèi)星檢驗(yàn)”(STEP)計(jì)劃,試圖將弱等效原理的實(shí)驗(yàn)精度提高到10-18.STEP計(jì)劃一直沒有獲得美國(guó)的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持,現(xiàn)在的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)就更加困難了.目前歐洲一些國(guó)家正在爭(zhēng)取安排MiniSTEP計(jì)劃,其實(shí)驗(yàn)精度為10-15;法國(guó)的小型衛(wèi)星(MicroScope)計(jì)劃于2010年發(fā)射,擬在10-15精度上檢驗(yàn)弱等效原理[13].引力探測(cè)-乙(GravityProbe-B,GP-B)計(jì)劃是美國(guó)空間局主持的計(jì)劃,由美國(guó)斯坦福大學(xué)GP-B小組負(fù)責(zé).該計(jì)劃的主要任務(wù)是驗(yàn)證廣義相對(duì)論的空間彎曲和拖曳效應(yīng),即驗(yàn)證時(shí)間和空間因地球大質(zhì)量物體存在而彎曲(測(cè)地效應(yīng)),和大質(zhì)量物體的旋轉(zhuǎn)拖動(dòng)周圍時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲(慣性系拖曳效應(yīng)).用4個(gè)旋轉(zhuǎn)球體作為陀螺儀,地球引力拖曳會(huì)影響球體的轉(zhuǎn)軸.用飛馬星座中的一顆恒星校準(zhǔn)陀螺自旋軸的方向,用望遠(yuǎn)鏡測(cè)量“測(cè)地效應(yīng)”.通過球體轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)0.000011度,探測(cè)“慣性系拖曳效應(yīng)”.GP-B衛(wèi)星于2004年4月發(fā)射,2005年9月終止數(shù)據(jù)采集.原預(yù)計(jì)2006年夏公布結(jié)果,但是,由于電場(chǎng)等因素影響了球體的方位,仍需對(duì)其他影響進(jìn)行研究.現(xiàn)正在加緊分析真正有效的時(shí)空信號(hào)數(shù)據(jù),并盡快宣布觀測(cè)結(jié)論.初步結(jié)果顯示,較顯著的‘測(cè)地效應(yīng)’從數(shù)據(jù)中完全可見,正在完全證實(shí)廣義相對(duì)論的道路上前進(jìn);剛剛看到“慣性系拖曳效應(yīng)”的端倪.實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的理論,人們正在期待著最后宣布的科學(xué)結(jié)果[3].

引力波是廣義相對(duì)論理論預(yù)言的現(xiàn)象,40年前聲稱在地面測(cè)量到高頻引力波,激起引力探測(cè)的熱潮.低頻引力波只能在空間探測(cè).歐洲空間局和美國(guó)空間局聯(lián)合推進(jìn)空間探測(cè)引力波的“激光干涉全球天線”(LISA)計(jì)劃,它的探測(cè)源是108太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,相應(yīng)的頻率是10-3—10-1Hz.LISA計(jì)劃由相距500萬公里等邊近三角形的三顆衛(wèi)星組成,每顆衛(wèi)星分別有2個(gè)懸浮的試驗(yàn)質(zhì)量,位于激光器平臺(tái)的前端.引力波傳到衛(wèi)星環(huán)境中,將引起試驗(yàn)質(zhì)量微小的位移,通過激光干涉方法測(cè)量小于納米量級(jí)的位移,推演出引力波的存在.為了驗(yàn)證LISA計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù),將于2010年發(fā)射LISAPathfinder衛(wèi)星,而LISA計(jì)劃預(yù)計(jì)在2019年以后發(fā)射.引力波探測(cè)的成功不僅可以驗(yàn)證廣義相對(duì)論理論的預(yù)言,還將開辟引力波天文學(xué),具有極大的重要性.歐洲空間局將LISA計(jì)劃列為中､遠(yuǎn)期的首選項(xiàng)目,美國(guó)空間局“超越愛因斯坦”計(jì)劃兩大衛(wèi)星之一的“大爆炸觀測(cè)臺(tái)”衛(wèi)星也是探討測(cè)量中頻(0.1—1.0Hz)引力波.空間引力波探測(cè)的學(xué)術(shù)重要性由此可見一斑.

我國(guó)空間科學(xué)的發(fā)展需要研討引力理論,研究衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的方案,大家正在集思廣益.中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所張?jiān)偌捌渌麑＜衣?lián)合提出TEPO計(jì)劃,建議在10-16精度內(nèi)驗(yàn)證弱等效原理和在10-14精度內(nèi)驗(yàn)證新型的二維等效原理;華中科技大學(xué)羅俊等人提出TISS計(jì)劃,希望利用高精度空間靜電懸浮加速度計(jì)將檢驗(yàn)牛頓引力的反比定律精度提高3個(gè)數(shù)量級(jí).中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)倪維斗的計(jì)劃是希望探測(cè)低頻(5×10-6—5×10-3Hz)引力波;中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所劉潤(rùn)球則關(guān)注空間的中頻(10-2—100Hz)引力波探測(cè).這些方案都還在蘊(yùn)釀過程中.

2.2空間冷原子物理和原子鐘研究

激光冷卻和玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)曾分別于1997年和2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),它們是當(dāng)代物理學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域之一.BEC有時(shí)也稱為物質(zhì)的第五態(tài),它是1925年愛因斯坦預(yù)言的物質(zhì)狀態(tài),即當(dāng)氣體溫度低于其極限溫度時(shí),所有冷原子都聚集在最低量子能態(tài)上,表現(xiàn)出玻色子的特證.作為一種新的物質(zhì)狀態(tài),它包含著許多新的基本物理規(guī)律,等待人們?nèi)ヌ剿?諸如物質(zhì)波及其相干性､低溫極限(10-15K)､量子相變等.另一方面,它蘊(yùn)育著許多重大的應(yīng)用前景,諸如原子激光､高精度時(shí)標(biāo)等.微重力環(huán)境可以更好地降低氣體的溫度,改進(jìn)譜線的寬度和穩(wěn)定性,提高系統(tǒng)的信噪比,從而為研究提供更好的條件.歐洲空間局的空間BEC研究也正在安排當(dāng)中.

作為該領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用項(xiàng)目,空間冷氣體原子鐘的研制受到重視.地面通過激光冷卻和冷原子噴泉效應(yīng),可以使冷氣體原子鐘的精度達(dá)到10-16.而在微重力環(huán)境中,則可以使冷氣體原子鐘的精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí),從而在軍事和民用上產(chǎn)生極大的價(jià)值.歐洲空間局和美國(guó)國(guó)家航空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為國(guó)際空間站的重要研究項(xiàng)目.

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4],正在準(zhǔn)備研制空間的超高精度冷原子微波鐘,精度可達(dá)10-17;華東師范大學(xué)馬龍生提出進(jìn)行空間高精度光鐘研究的建議,精度可達(dá)10-18.2.3低溫凝聚態(tài)物理

凝聚態(tài)物質(zhì)在極低溫條件下會(huì)表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì),成為物理學(xué)的新熱點(diǎn).微重力條件可以實(shí)現(xiàn)極小的靜壓梯度,可以提供更高精度的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)條件,從而在更高精度下驗(yàn)證理論和揭示新的規(guī)律.美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在航天飛機(jī)上完成了液氦在臨界溫度附近(納度的精度內(nèi))的比熱奇異性實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了二階相變的重整化群理論[1].科學(xué)家們提出了一批空間實(shí)驗(yàn)課題,諸如超流氦相變動(dòng)力學(xué),連續(xù)相變的普適性,氣-液臨界點(diǎn)的尺度規(guī)律,約束于不同幾何形狀和尺度的液氦性質(zhì),相圖特殊點(diǎn)附近氦混合物的性質(zhì),約束和邊界效應(yīng),非平衡相變,分形結(jié)構(gòu)和圖樣形式,臨界現(xiàn)象,超流體的流體動(dòng)力學(xué),量子固體等.這些課題大都需要超低溫條件,因而需要空間大型制冷設(shè)備,耗資巨大.美國(guó)已暫停這方面的研究,中國(guó)在短期內(nèi)還難于安排相關(guān)的空間實(shí)驗(yàn)條件.

3微重力流體物理

微重力流體物理是微重力科學(xué)的重要領(lǐng)域,它是微重力應(yīng)用和工程的基礎(chǔ),人類空間探索過程中的許多難題的解決需要借助于流體物理的研究.在基礎(chǔ)研究方面,微重力環(huán)境為研究新力學(xué)體系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了極好的條件,諸如非浮力的自然對(duì)流,多尺度的耦合過程,表面力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng),失重條件下的多相流和沸騰傳熱,以及復(fù)雜流體力學(xué)等.可以引入靜Bond數(shù)Bo=ρgl2/σ或動(dòng)Bond數(shù)Bd=ρgl2/(∣σ′T∣ΔT)來分析重力作用和表向張力作用的相對(duì)重要性,其中ρ,σ,g,l分別是流體密度､界面的表面張力､有效重力加速度和特證尺度,∣σ′T∣和ΔT分別是表面張力梯度和特征溫差.Bond數(shù)小于1時(shí),表面張力的作用會(huì)大于重力的作用,這要求小的尺度､或小的重力加速度､或小的密度差,對(duì)應(yīng)于小尺度過程､微重力過程､或中性懸浮過程[5].

3.1簡(jiǎn)單流體的對(duì)流和傳熱

具有界面的流體體系普遍存在于自然科學(xué)和工程應(yīng)用中.研究熱毛細(xì)對(duì)流的規(guī)律,對(duì)于空間材料加工､生物技術(shù)､燃燒等過程中熱毛細(xì)對(duì)流控制都有重要意義,并對(duì)地面電子裝置的熱控制,食品加工過程,化學(xué)工程微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS),薄膜等小尺度的流動(dòng)問題也有指導(dǎo)作用.微重力環(huán)境中流體的晃動(dòng)､流體的運(yùn)動(dòng)與固體結(jié)構(gòu)的相互耦合是航天工程中經(jīng)常遇到的問題.對(duì)微重力環(huán)境中簡(jiǎn)單流體的傳熱和傳質(zhì)過程,人們主要研究毛細(xì)系統(tǒng)中臨界現(xiàn)象和浸潤(rùn)現(xiàn)象,熱毛細(xì)對(duì)流的轉(zhuǎn)捩過程和振蕩機(jī)理,液滴熱毛細(xì)遷移及相互作用規(guī)律等方面.流體管理研究也是微重力工程中的重要課題.

3.2多相流的傳質(zhì)和傳熱

微重力氣/液兩相流動(dòng)與傳熱研究的主要對(duì)象包括兩相流動(dòng)的流型､沸騰與冷凝傳熱､混合與分離等現(xiàn)象,對(duì)我國(guó)載人航天技術(shù)(如航天器熱與流體管理系統(tǒng)､空間站與深空探測(cè)器等大型航天器動(dòng)力系統(tǒng)､載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)以及空間材料制備與空間生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)等)的發(fā)展有直接的應(yīng)用價(jià)值.在微重力環(huán)境中,重力作用被極大地抑制甚至完全消除,更能凸顯氣､液､固相間的傳遞機(jī)制,便于更深刻地揭示其流動(dòng)與傳熱機(jī)理.借助于微重力氣液兩相流動(dòng)與傳熱的深入研究,對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略需求和地面常重力環(huán)境中的石油､化工､制造等相關(guān)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用也有重要指導(dǎo)意義.3.3復(fù)雜流體

復(fù)雜流體是一種分散體系,它指的是具有一種或幾種分散相的物質(zhì)體系,也有人稱之為軟物質(zhì).在重力條件下,復(fù)雜流體的許多行為特征會(huì)受對(duì)流､沉降､分層等干擾,而微重力條件則有助于研究在地面上被重力作用所掩蓋的過程,特別是分子間的相互作用力.微重力復(fù)雜流體研究包括:膠體的聚集和相變研究;懸浮液和乳狀液的穩(wěn)定性研究;復(fù)雜等離子體的結(jié)晶研究;氣溶膠的穩(wěn)定性和聚集行為研究;對(duì)顆粒體系本征運(yùn)動(dòng)行為的研究;臨界點(diǎn)現(xiàn)象的研究;以及材料制備､石油開采和生物流體的相關(guān)問題研究.隨著人類深空探測(cè)活動(dòng)的展開,對(duì)不同重力場(chǎng)中分散體系物質(zhì)的操作與輸運(yùn)的要求,以及對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)知的需求十分迫切.空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅能夠使我們獲得新的科學(xué)知識(shí),而且其科學(xué)成果對(duì)于地面材料及器件制備工藝的創(chuàng)新具有重要指導(dǎo)意義.對(duì)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的研究在材料設(shè)計(jì)中起到了切實(shí)的作用,如對(duì)復(fù)雜流體自組織現(xiàn)象的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于納米結(jié)構(gòu)材料和器件的研制.近年來,復(fù)雜流體(軟物質(zhì))的力學(xué)和物理學(xué),接觸角､接觸線和浸潤(rùn)現(xiàn)象等與物理化學(xué)密切相關(guān)的領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注[6].

3.4近期的空間實(shí)驗(yàn)

隨著國(guó)際空間站的逐步安裝,國(guó)外微重力空間實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目將逐步進(jìn)行.目前己經(jīng)納入計(jì)劃中的項(xiàng)目有:

●毛細(xì)流動(dòng):不同形狀､介質(zhì)､浸潤(rùn)性､流體管理;

●熱毛細(xì)對(duì)流;

●流體的梯度漲落;

●Soret系數(shù)測(cè)量;

●近臨界和超臨界流體;

●蒸發(fā)和冷凝過程:流體的熱管理;

●沸騰傳熱;

●顆粒材料行為;

●膠體和乳劑聚集和穩(wěn)定性;

●泡沫穩(wěn)定性.

“十一·五”期間,國(guó)家安排了進(jìn)行空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的“實(shí)踐-10”衛(wèi)星,將完成10項(xiàng)微重力科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn).這些實(shí)驗(yàn)包括空間熱毛細(xì)對(duì)流､具有蒸發(fā)界面的對(duì)流､顆粒材料物理､沸騰傳熱､復(fù)雜流體的結(jié)晶等流體物理空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.同對(duì),在載人航天工程第二階段中,還要安排半浮區(qū)液橋､多液滴相互作用､復(fù)雜流體穩(wěn)定性､多相流傳熱等空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.我國(guó)的微重力流體物理已有較好基礎(chǔ),將會(huì)做出較大貢獻(xiàn).

微重力流體物理所涉及的許多過程與微尺度流動(dòng)中的過程有許多相似性,引起人們的興趣.以中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室為主的流體物理研究有不少建樹,獲得國(guó)際同行的好評(píng).

4燃燒科學(xué)

燃燒是一門古老的學(xué)科,而地面的燃燒過程都是和浮力對(duì)流密切耦合在一起的,給模型化研究增加了難度.微重力條件下基本上沒有浮力對(duì)流的影響,為研究燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程提供了極好的機(jī)遇.1957年,東京大學(xué)Kumagai教授的0.5s落塔實(shí)驗(yàn)研究了乙醇棉球的微重力燃燒過程,開創(chuàng)了微重力燃燒的實(shí)驗(yàn)研究和利用落塔進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)的時(shí)代.落塔設(shè)施己成為進(jìn)行微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的有力工具.

微重力燃燒涉及了地面燃燒學(xué)的主要領(lǐng)域,美國(guó)國(guó)家航空和空間署將微重力燃燒作為重要的研究方向,歐洲和日本空間局也十分重視.幾乎地面主要的燃燒過程都進(jìn)行了空間微重力實(shí)驗(yàn),諸如預(yù)混氣體燃燒､氣體擴(kuò)散燃燒､液滴燃燒､顆粒和粉塵燃燒等,并研究了典型氣體環(huán)境中燃料表面的點(diǎn)火和傳播,流動(dòng)過程與燃燒的耦合等,發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象,例如燃燒的分散球狀分布等.在許多微重力燃燒過程中,除了通常的吹熄極限,還有輻射損失引起的冷熄極限,這只能在微重力環(huán)境中才能觀測(cè)到.微重力燃燒的研究除了具有重大的機(jī)理意義以外,還在于:利用對(duì)燃燒過程的深刻理解,改進(jìn)地面燃燒過程的效益;利用對(duì)燃燒產(chǎn)物的進(jìn)一步分析,改進(jìn)地面燃燒產(chǎn)物污染環(huán)境.中國(guó)的能源將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以煤作為主要燃料,應(yīng)加強(qiáng)微重力煤燃燒的研究[7].

載人飛行器的安全防火是微重力燃燒的重大課題,自從阿波羅1號(hào)飛船在地面著火,燒死3名宇航員后,美國(guó)國(guó)家航空和空間署就把防火安全作為載人航天的首要問題.特別是今后的長(zhǎng)期載人飛行任務(wù),使防火任務(wù)更加嚴(yán)重.需要研究典型氣體氛圍下沿固體表面的著火條件､火焰?zhèn)鞑ミ^程和熄火條件;還要研究悶燒的各種條件.除進(jìn)行相應(yīng)的模擬研究外,還要進(jìn)行大量的落塔實(shí)驗(yàn),對(duì)逐個(gè)上天的非金屬材料和某些金屬材料進(jìn)行典型氣體環(huán)境下的燃燒實(shí)驗(yàn).同時(shí),還需要制訂載人飛行器的防火規(guī)范.美國(guó)和俄羅斯各自建立了他們的載人航天材料篩選和防火規(guī)范,但載人航天器中的著火事件仍有發(fā)生.因?yàn)檩d人航天器內(nèi)存在著火的條件,問題不可能完全解決.特別是在載人探索火星等長(zhǎng)時(shí)間飛行任務(wù)中,防火規(guī)范還是一個(gè)需要進(jìn)一步探討和研究的課題[8].

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所和力學(xué)研究所進(jìn)行了一些微重力燃燒的研究工作.近年來,清華大學(xué)和華中科技大學(xué)等煤燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開始關(guān)注微重力的煤燃燒研究.在“十一·五”期間,非金屬材科燃燒､導(dǎo)線的燒燃､煤的燃燒等項(xiàng)目己列入空間實(shí)驗(yàn)計(jì)劃,應(yīng)能取得好的結(jié)果.

材料科學(xué)

空間材料科學(xué)曾是微重力科學(xué)中耗資最大的領(lǐng)域,材料科學(xué)各分支領(lǐng)域的學(xué)者都希望在空間微重力環(huán)境中去研究凝固過程的機(jī)理和制備高質(zhì)量的材科.空間微重力環(huán)境是制備､研究多元均勻塊體材料的最佳場(chǎng)所,其主要特征就是消除了因重力而產(chǎn)生的沉降､浮力對(duì)流和靜壓力梯度.由于浮力減弱,密度分層效應(yīng)的消失,可以使不同密度的介質(zhì)均勻地混合.由于空間微重力環(huán)境中靜壓力梯度幾乎趨于零,因而能提供更加均勻的熱力學(xué)狀態(tài).這種條件更有利于研究物質(zhì)的熱力學(xué)本質(zhì)和流體力學(xué)本質(zhì),探索､研制新型的材料和發(fā)現(xiàn)材料的新功能.目前空間材料科學(xué)研究的重點(diǎn)是利用空間實(shí)驗(yàn)的成果改進(jìn)地面材料制備技術(shù),以及利用空間微重力環(huán)境測(cè)量高溫熔體的輸運(yùn)系數(shù).在國(guó)際空間站的歐洲､美國(guó)和日本壓力艙中,都有材料研究的專柜.

利用微重力環(huán)境進(jìn)行材料科學(xué)研究,不僅可以發(fā)展材料科學(xué)理論,還可以發(fā)展新型材料和新型加工工藝.微重力環(huán)境可以制備出一些比地面更好的高品質(zhì)材料,空間材料科學(xué)的進(jìn)展及空間材料制備的技術(shù)可以改進(jìn)空間和地面的材料加工,特別是為地面的晶體生長(zhǎng)和鑄造技術(shù)提供幫助.空間材料科學(xué)涉及的領(lǐng)域有金屬材料､半導(dǎo)體材料､光學(xué)晶體材料､納米材料和高分子與生物醫(yī)學(xué)材料等[9].

我國(guó)空間材料科學(xué)目前面臨相當(dāng)大的困難.克服這些困難,目前一方面可充分利用國(guó)際合作(俄羅斯､日本),另一方面,我們需要面對(duì)現(xiàn)實(shí),以地基實(shí)驗(yàn)為主,在加強(qiáng)國(guó)際合作的同時(shí),擴(kuò)大該領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì),同時(shí)該學(xué)科需要進(jìn)一步凝煉學(xué)科方向和科學(xué)問題,今后應(yīng)該創(chuàng)造條件開展空間材料科學(xué)研究.我國(guó)空間材料科學(xué)在林蘭英先生的倡導(dǎo)和指導(dǎo)下,一批學(xué)者積極參與,取得了重要學(xué)術(shù)成果.“十一·五”期間,我國(guó)的SJ-10衛(wèi)星計(jì)劃和載人航天工程(第二階段)計(jì)劃中都分別安排了多功位材料實(shí)驗(yàn)爐的空間實(shí)驗(yàn),應(yīng)能做出一批較好結(jié)果.

6生物技術(shù)

空間生物技術(shù)促進(jìn)了生物技術(shù)的定量化和模型化研究,促進(jìn)了新的實(shí)驗(yàn)方法和儀器設(shè)備的發(fā)展,具有重要學(xué)科意義.另一方面,空間生物技術(shù)有很強(qiáng)的應(yīng)用背景,可以改善人類的健康和發(fā)展生物產(chǎn)業(yè),是空間商業(yè)計(jì)劃的新方向.目前,空間生物技術(shù)的主要研究方向是蛋白質(zhì)單晶生長(zhǎng)和細(xì)胞/組織的三維培養(yǎng).

晶體衍射法仍然是當(dāng)今研究生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的主要方法,獲得高質(zhì)量的大尺寸蛋白質(zhì)單晶就是一項(xiàng)艱難的任務(wù).溶液法生長(zhǎng)蛋白質(zhì)晶體受到許多因素的影響,微重力環(huán)境可以更有效地提供擴(kuò)散為主的輸運(yùn)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)失重條件下的無容器過程和較好的界面控制,使空間的蛋白質(zhì)單晶生長(zhǎng)顯示出許多優(yōu)點(diǎn).各國(guó)空間局都安排了大量的空間蛋白質(zhì)單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),而且取得很大進(jìn)展.但并不是所有空間實(shí)驗(yàn)都取得好結(jié)果,也有不少不成功的實(shí)驗(yàn).機(jī)理研究表明,蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)過程取決于溶質(zhì)的輸運(yùn)過程和非線性的界面動(dòng)力學(xué)過程;對(duì)于不同的生長(zhǎng)條件,可以從實(shí)驗(yàn)和理論上具體分析這兩個(gè)過程的作用.由于蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)過程的復(fù)雜性,重力因素只是生長(zhǎng)過程中諸多因素之一,機(jī)理研究還有待進(jìn)一步完善.國(guó)際上有人認(rèn)為液/液體系較好,也有人認(rèn)為液/氣體系較好.大家都在爭(zhēng)取更多的空間實(shí)驗(yàn),以取得更多的積累.空間蛋白質(zhì)單晶生長(zhǎng)己成為有重要應(yīng)用前景的商業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目[10].在微重力環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了三維的細(xì)胞/組織培養(yǎng),開創(chuàng)了一片新天地.地球表面的重力作用,使細(xì)胞培養(yǎng)器中的附壁效應(yīng)十分顯著,一般都需要外加旋轉(zhuǎn)效應(yīng).旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的剪切力作用于被培養(yǎng)的細(xì)胞,將改變其性能,使被培養(yǎng)細(xì)胞或組織的性能發(fā)生較大變化.人們?cè)诘孛胬萌S旋轉(zhuǎn)器來模擬某些微重力效應(yīng)的同時(shí),還進(jìn)行了大量空間細(xì)胞/組織培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn),包括從細(xì)菌到哺乳動(dòng)植物廣泛類群的細(xì)胞.空間的生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,失重條件下的三維細(xì)胞培養(yǎng)極大地改善了地面細(xì)胞的培養(yǎng)條件,并己獲得了一些很好的成果.隨著空間生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)工作的進(jìn)展,空間細(xì)胞/組識(shí)培養(yǎng)己經(jīng)顯示出重要的商業(yè)應(yīng)用前景[11].

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所是我國(guó)從事空間蛋白質(zhì)單晶生長(zhǎng)研究的主要單位,動(dòng)物研究所和力學(xué)研究所在細(xì)胞三維培養(yǎng)方面做了許多研究工作.

目前,國(guó)際空間活動(dòng)正在調(diào)整探索方向,微重力研究遇到經(jīng)費(fèi)緊缺的困難.今后十余年的基礎(chǔ)物理大型探測(cè)集中于LISA計(jì)劃,一些中､小型計(jì)劃正在考慮之中.國(guó)際空間站將于2010年完全建成,歐洲空間局的哥倫布艙和日本的希望艙段己分別與國(guó)際空間站主體對(duì)接.今后十年將是國(guó)際空間站出成果的時(shí)期,預(yù)計(jì)會(huì)完成一大批空間微重力實(shí)驗(yàn).我國(guó)空間科學(xué)規(guī)劃將微重力科學(xué)列為持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域;我國(guó)載人航天工程第二步將建空間實(shí)驗(yàn)室,第三步將建空間站.今后15年將是我國(guó)微重力科學(xué)發(fā)展的好時(shí)期,我們要抓緊機(jī)遇,安排好計(jì)劃,努力做出好成績(jī).

參考文獻(xiàn)

[1]倪維斗.相對(duì)論性引力理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及測(cè)試.見科學(xué)前沿與未來(第10集),香山科學(xué)會(huì)議主編.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2006.第159頁(yè)

[2]李杰信.追尋蘭色星球.北京:航空工業(yè)出版社,2000

[3]EverittFF,ParkinsonB.GravityProbeB——PostFlightAnalysis.FinalReport,NASA,Oct.2006

[4]王育竹,王笑鵑.物理,1993,22:16[WangYZ,WangXJ.Wuli(Physics),1993,22:16(inChinese)]

[5]胡文瑞,徐碩昌.微重力流體力學(xué).北京:科學(xué)出版社,1999

[6]孫祉偉.力學(xué)進(jìn)展,1998,28:93[SanZW.AdvancesinMechanics,1998,28:93(inChinese)]

[7]張夏.力學(xué)進(jìn)展,2004,34:507[ZhangX.AdvancesinMechanics,2004,34:507(inChinese)]

[8]張夏.力學(xué)進(jìn)展,2005,35:100[ZhangX.AdvancesinMechanics,2005,35:100(inChinese)]

[9]RegelLL.MaterialsProcessinginSpace,NewYork&London,ConsultantsBureau,1990

[10]畢汝昌.空間科學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(增刊):9[BiRC.Chin.J.SpaceSci.,1999,19(supplement):9(inChinese)]

[11]豐美福.空間科學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(增刊):17[FengMF.Chin.J.SpaceSci.,1999,19(supplement):9(inChinese)]

[12]張?jiān)?物理教學(xué),2002,24(9):2[ZhangYZ.PhysicsTeaching,2002,24(9):2(inChinese)]張?jiān)?物理,2008,37(9):643[ZhangYZ.Wuli(Physics),2008,37(9)643:(inChinese)]

[13]microscope.onera.fr/mission.html