空間的物理學(xué) 8800字

空間的物理學(xué)8800字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)(部分)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,那么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外表重力水平的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)到達(dá)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防止人的干擾,飛行器中的有效重力很難到達(dá)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)射專門的根底物理衛(wèi)星.

隨著載人空間活動(dòng)的開展,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,從而開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,外表張力和潤濕等作用變得突出.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、微重力焚燒、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)物理的許多根底物理前沿問題.這樣就形成了微重力科學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域——空間根底物理.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,后者主要研究太陽系等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行星科學(xué),而不波及根底物理的前沿問題.

2空間根底物理

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)等效原理若的根底[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)?zāi)敲礄z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].國際上蘊(yùn)釀多年的“等效原理的衛(wèi)星檢驗(yàn)〞(STEP)方案,試圖將弱等效原理的實(shí)驗(yàn)精度提高到10-18.STEP方案一直沒有獲得美國的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持,現(xiàn)在的立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)就更加困難了.目前歐洲一些國家正在爭取安頓MiniSTEP方案,其實(shí)驗(yàn)精度為10-15;法國的小型衛(wèi)星(MicroScope)方案于2022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)方案是美國空間局主持的方案,由美國斯坦福大學(xué)GP-B小組負(fù)責(zé).該方案的主要任務(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2022年4月發(fā)射,2022年9月終止數(shù)據(jù)采集.原預(yù)計(jì)2022年夏頒布結(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);剛才看到“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).歐洲空間局和美國空間局聯(lián)合推進(jìn)空間探測(cè)引力波的“激光干預(yù)全球天線〞(LISA)方案,它的探測(cè)源是108太陽質(zhì)量的黑洞,相應(yīng)的頻率是10-3—10-1Hz.LISA方案由相距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,通過激光干預(yù)辦法測(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方案的關(guān)鍵技術(shù),將于2022年發(fā)射LISAPathfinder衛(wèi)星,而LISA方案預(yù)計(jì)在2022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,具有極大的重要性.歐洲空間局將LISA方案列為中、遠(yuǎn)期的首選工程,美國空間局“超越愛因斯坦〞方案兩大衛(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.

我國空間科學(xué)的開展需要研討引力理論,研究衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃,大家正在集思廣益.中國科學(xué)院理論物理研究所張?jiān)偌捌渌麑＜衣?lián)合提出TEPO方案,倡議在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方案,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).中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)倪維斗的方案是希望探測(cè)低頻(5×10-6—5×10-3Hz)引力波;中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所劉潤球那么關(guān)注空間的中頻(10-2—100Hz)引力波探測(cè).這些計(jì)劃都還在蘊(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2022年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),它們是當(dāng)代物理學(xué)最活潑的前沿領(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),所有冷原子都匯集在最低量子能態(tài)上,表現(xiàn)出玻色子的特證.作為一種新的物質(zhì)狀態(tài),它包含著許多新的根本物理規(guī)律,等待人們?nèi)ヌ剿?諸如物質(zhì)涉及其相干性、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,改良譜線的寬度和穩(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研究也正在安頓當(dāng)中.

作為該領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用工程,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到達(dá)10-16.而在微重力環(huán)境中,那么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.歐洲空間局和美國國家航空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為國際空間站的重要研究工程.

中國科學(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倡議,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.美國已暫停這方面的研究,中國在短期內(nèi)還難于安頓相關(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)用和項(xiàng)目的根底,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.在根底研究方面,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,外表力驅(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、界面的外表張力、有效重力加速度和特證尺度,∣σ′T∣和ΔT分別是外表張力梯度和特征溫差.Bond數(shù)小于1時(shí),外表張力的作用會(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)和項(xiàng)目應(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)、焚燒等過程中熱毛細(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)項(xiàng)目微電子機(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)的相互耦合是航天項(xiàng)目中經(jīng)常遇到的問題.對(duì)微重力環(huán)境中簡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項(xiàng)目中的重要課題.

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、混合與別離等現(xiàn)象,對(duì)我國載人航天技術(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)的開展有直接的應(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打消,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,而微重力條件那么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:膠體的匯集和相變研究;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)定性和匯集行為研究;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)

隨著國際空間站的逐步安裝,國外微重力空間實(shí)驗(yàn)的工程將逐步進(jìn)行.目前己經(jīng)納入方案中的工程有:

●毛細(xì)流動(dòng):不同形狀、介質(zhì)、浸潤性、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;

●膠體和乳劑匯集和穩(wěn)定性;

●泡沫穩(wěn)定性.

“十一·五〞期間,國家安頓了進(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)工程.同對(duì),在載人航天項(xiàng)目第二階段中,還要安頓半浮區(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)工程.我國的微重力流體物理已有較好根底,將會(huì)做出較大奉獻(xiàn).

微重力流體物理所波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.以中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗(yàn)室為主的流體物理研究有不少建樹,獲得國際同行的好評(píng).

4焚燒科學(xué)

焚燒是一門古老的學(xué)科,而地面的焚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.微重力條件下根本上沒有浮力對(duì)流的影響,為研究焚燒的化學(xué)反饋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焚燒過程,開創(chuàng)了微重力焚燒的實(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)行微重力焚燒實(shí)驗(yàn)的有力工具.

微重力焚燒波及了地面焚燒學(xué)的主要領(lǐng)域,美國國家航空和空間署將微重力焚燒作為重要的研究方向,歐洲和日本空間局也十分重視.幾乎地面主要的焚燒過程都進(jìn)行了空間微重力實(shí)驗(yàn),諸如預(yù)混氣體焚燒、氣體擴(kuò)散焚燒、液滴焚燒、顆粒和粉塵焚燒等,并研究了典型氣體環(huán)境中燃料外表的點(diǎn)火和傳播,流動(dòng)過程與焚燒的耦合等,發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象,示例焚燒的分散球狀分布等.在許多微重力焚燒過程中,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.微重力焚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)焚燒過程的深刻理解,改良地面焚燒過程的效益;利用對(duì)焚燒產(chǎn)物的進(jìn)一步分析,改良地面焚燒產(chǎn)物污染環(huán)境.中國的能源將在較長時(shí)間內(nèi)以煤作為主要燃料,應(yīng)加強(qiáng)微重力煤焚燒的研究[7].

載人飛行器的平安防火是微重力焚燒的重大課題,自從阿波羅1號(hào)飛船在地面著火,燒死3名宇航員后,美國國家航空和空間署就把防火平安作為載人航天的首要問題.特別是今后的長期載人飛行任務(wù),使防火任務(wù)更加嚴(yán)重.需要研究典型氣體氣氛下沿固體外表的著火條件、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)境下的焚燒實(shí)驗(yàn).同時(shí),還需要制訂載人飛行器的防火標(biāo)準(zhǔn).美國和俄羅斯各自建立了他們的載人航天材料篩選和防火標(biāo)準(zhǔn),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時(shí)間飛行任務(wù)中,防火標(biāo)準(zhǔn)還是一個(gè)需要進(jìn)一步探討和研究的課題[8].

中國科學(xué)院項(xiàng)目熱物理研究所和力學(xué)研究所進(jìn)行了一些微重力焚燒的研究工作.近年來,清華大學(xué)和華中科技大學(xué)等煤焚燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開始關(guān)注微重力的煤焚燒研究.在“十一·五〞期間,非金屬材科焚燒、導(dǎo)線的燒燃、煤的焚燒等工程己列入空間實(shí)驗(yàn)方案,應(yīng)能取得好的結(jié)果.

5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正確場(chǎng)所,其主要特征就是打消了因重力而產(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)的成果改良地面材料制備技術(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).在國際空間站的歐洲、美國和日本壓力艙中,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,不僅可以開展材料科學(xué)理論,還可以開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)可以改良空間和地面的材料加工,特別是為地面的晶體生長和鑄造技術(shù)提供幫忙.空間材料科學(xué)波及的領(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,目前一方面可充沛利用國際合作(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)該發(fā)明條件發(fā)展空間材料科學(xué)研究.我國空間材料科學(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,我國的SJ-10衛(wèi)星方案和載人航天項(xiàng)目(第二階段)方案中都分別安頓了多功位材料實(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)辦法和儀器設(shè)備的開展,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開展生物產(chǎn)業(yè),是空間商業(yè)方案的新方向.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)和功能的主要辦法,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)單晶生長顯示出許多優(yōu)點(diǎn).各國空間局都安頓了大量的空間蛋白質(zhì)單晶生長實(shí)驗(yàn),而且取得很大進(jìn)展.但并不是所有空間實(shí)驗(yàn)