为什么在空间站做实验？世界航天大国为什么竞相发展空间站？它能为人类提供什么样的特殊条件，来支持开展各方面研究和实验？这与空间站的特点密切相关：

 

 

 

什么是微重力？

我们在地球之上300-400千米的轨道上，相对于6千余千米的地球半径，在空间站的轨道高度上重力并没有消失，为什么会出现微重力的现象？

 

空间站上的微重力原理

 

如上图所示，航天器在做近8千米/秒的高速运动，按照牛顿第一定律，航天器应该是保持远离地球的匀速直线运动，而由于地球引力的作用，使航天器绕着地球做圆周运动，航天器所受的重力提供了航天器绕地球做圆周运动所需的向心力。这两个力基本相等，使得在航天器上感受到的只有残余的重力，称为微重力。

 

在地球上，生命体和物质受到重力的作用，某些本质规律会被掩盖，在微重力条件下我们有希望发现被重力掩盖的物质本质规律。在微重力条件下，会产生如下物理效应：

 

第一个微重力效应是浮力对流极大的减小。

 

如下图所示，在微重力条件下加热物体时，比如水或空气，浮力对流消失后热交换基本停止，加热的水或空气可能停留在容器底部，只有通过扩散或表面张力引起的对流来发挥加热的作用。

 

微重力条件下浮力对流基本消失

 

第二个微重力效应是沉淀和分层现象基本消失。

 

当把铁块等密度大的物体放入密度小的水中时，如下方左图在重力条件下物体将下沉，而如下方右图在微重力条件下物体则不会下沉。

 

王亚平老师在太空授课中曾经演示了兵乓球在水中可以停留，就说明了沉淀消失的现象。同理，在地面重力条件下将油倒入水中，会出现分层现象，而在太空微重力条件下，油和水将混合在一起，无法实现分层。

 

微重力条件下沉淀与分层现象基本消失

左：重力条件 右：微重力条件

 

第三个微重力效应是压力梯度极大的减小。

 

在地面重力条件下，随着位于水下的深度越深，物体受到的水压越大，而在太空微重力条件下，物体受到的水压不随水的深度变化。以生活中的例子说明，当我们潜水时越往下会感觉胸部受到的压力越大，会渐渐喘不上气，而在太空微重力条件下不同深度的位置水压是基本不变的，不同水深的压力差消失了。

 

微重力条件下压力梯度基本消失

左：重力条件 右：微重力条件

 

 

 

中国航天员在轨进行出舱活动

 

著名的哈勃望远镜在轨工作了30余年，期间经过了5次维修。航天员乘航天飞机对哈勃望远镜进行维修，下图为哈勃望远镜第4次维修前后观测到的宇宙图像。正是由于航天员的参与，才使哈勃望远镜能够工作这么长的时间，取得众多国际瞩目的科学成果。

 

哈勃望远镜第4次维修前后成像质量对比

左：修复前 右：修复后

 

 

 

在轨开展的生命、材料等科学实验，有必要将实验后的样品返回，回到地面做进一步研究，如生命科学实验样品回到地面进行基因测序和后续的研究、材料样品进行剖分并开展X射线衍射研究等。我们可以通过载人飞船将空间站实验样品返回，进行后续的深入研究。

 

载人飞船返回示意图

 

 

 

以天文观测为例，由于大气的吸收和干扰，宇宙中的伽马射线、X射线、紫外线、红外线和超长波等无法在地面有效观测到，相关谱段的天文观测需要发射观测仪到太空中开展观测。

 

宇宙中不同谱段信号受大气的影响

 

对于地球观测，空间站在一定的轨道倾角下绕地球高速运动，而地球同时在进行自转，这样在空间站可以快速地对地球进行遍历观测，每3天即可覆盖陆地的90%左右，能够对地球进行宏观层面的研究，并快速对灾害进行预警。（中科院 张伟）