2012年国际空间站科学研究与应用进展

概述2012年国际空间站科学研究的总体态势,介绍技术开发与验证、物理科学、人体研究、教育活动和推广、地球与空间科学及生物学与生物技术等6个领域的主要研究方向,重点分析各领域科学实验开展情况及其新变化,探讨国际空间站科学研究与应用的发展趋向.     

"国际空间站"的应用、问题和前景

至今,一共有59个国家参与“国际空间站”的建造或应用。美国航空航天局目前正在与“国际空间站”其他成员国共同努力拓展“国际空间站”的应用,以便使科研人员拥有更多机会进行站上微重力实验。该站有两个主要功能：进行科学实验的国家实验室和开发新技术的试验平台。“国际空间站”已基本建成,正成为近地轨道上有人直接参与各种科学研究活动的基地。它能进行最先进的生物学、化学、物理学及其他学科的研究,并有望执行载人绕月飞行任务。由于“国际空间站”将至少工作到2020年,所以可充分利用其设备开展多项科研;美国也将借助私营商用飞船将航天员送入“国际空间站”。因此,它不仅将发挥更大的作用,还将采用新的运营模式。     

微重力对拟南芥长势影响的代谢网络流平衡分析

微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。 随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分析方法对模式植物拟南芥不同组织的代谢网络进行分析,研究微重力对拟南芥生长发育的影响机制。通过比较空间与地面条件下拟南芥的生物质产量,发现空间条件下拟南芥黄化幼苗、幼苗、芽、根、下胚轴的生物量分别下降了33.00%,51.52%,6.89%,12.53%,11.70%,与空间环境下拟南芥的长势变化趋势一致。代谢通路富集分析发现,微重力使得拟南芥的碳固定等通路下调,而磷酸戊糖途径上调,初步解析了微重力对拟南芥生长发育的影响机制,也验证了流平衡方法用于微重力生物学效应研究中的可行性。      

用光学干涉方法对液相扩散传质过程的研究

液相中扩散传质过程研究无论对于基础理论还是生产实践都具有重要的意义。但在通常的重力环境中,传质过程不是单因素地由浓度梯度来决定,对流和沉降会对实验研究产生重要的干扰。通过光学干涉技术的应用,实现对于扩散过程中的传质系数进行测量,实验中采用Mach—Zehnder干涉仪对于整个传质过程进行监控并记录相关图像信息。这些图像信息是贯穿在整个实验过程中的连续录像,不同于其它实验记录的静态图像。通过计算这些随时间改变的干涉条纹的变化,就可以推导出传质系数的结果。实验液体选用水／葡萄糖溶液,之后还将进一步将该实验装置搭载TF-1火箭,进行微重力实验,以排除重力产生的影响。     

微重力板式贮箱推进剂重定位的数值仿真

板式表面张力贮箱内推进剂重定位对确定推进剂分布情况、研究晃动影响、提高控制精度等具有重要意义．为研究板式贮箱内推进剂重定位的规律,对微重力下板式贮箱内液体重定位问题进行数值仿真．计算时使用三维非定常两相流动流体（VOF）模型,对某一板式贮箱寿命末期在不同微重力加速度情况下各种重定位过程进行数值仿真,得到各种工况下重定位的全过程,以及定位后推进剂的分布情况．数值仿真结果为板式贮箱的设计提供有利依据．     

地面模拟微重力条件下Cu-Pb合金的制备及微观结构与摩擦性能研究

利用地面上建立的微重力电磁模拟设备成功制备出了Cu-Pb二元难混合金,并对其微观组织结构与摩擦性能进行了分析与测试。样品SEM分析结果表明,模拟微重力状态下制备的合金样品较好地克服了地面上因重力影响而产生的严重成分偏析,少数弥散相较均匀地分布于基体中,少数相含量越低,弥散体尺寸越小,分布越均匀;摩擦性能测试结果显示合金模拟样品的摩擦性能明显好于基体金属,且摩擦系数随少数相Pb的含量的增大而减小,体积磨损率随少数相含量的增大先快速减小而后又缓慢增大。同时对实验结果进行了简单的分析与讨论。      

卫星搭载聚氨酯泡沫闷烧实验

SJ-8卫星搭载闷烧实验,利用长时间微重力条件,对等压条件下聚氨酯泡沫试样中的闷烧点燃和双向传播过程进行了研究,两种气流氧气浓度分别为21%和35%,气流速度为3.1 mm/s.实验结果表明,氧气浓度较小时,逆向闷烧在传播到试样末端之前将自行熄灭,同向闷烧可以自维持传播至试样末端.气流氧气浓度为35%时,逆向闷烧和同向闷烧都可自维持传播;当逆向闷烧传播至试样末端区域时反应急剧加速,导致局部发生闷烧向有焰燃烧转变;有焰燃烧进一步点燃闷烧反应留下的剩余碳,使其发生剧烈的二次氧化反应,并向下游传播直到剩余碳耗尽.实验结果为研究闷烧机理提供了基础数据,对载人航天器舱内的火灾安全具有实际意义.      

卫星搭载导线着火前期特性实验研究

导线绝缘层的过热及由此发生的着火和燃烧是载人航天飞行器中引起火灾的主要原因.研究微重力下导线绝缘层的可燃性对于预防飞船中火灾的发生有重要意义.本文描述了SJ-8卫星搭载实验项目导线着火前期特性硬件研制以及实验情况.实验中获得了导线着火前期的温度和辐射特性.在搭载实验中,研究了导线过载电流和导线捆绑方式对导线绝缘层着火前期特性的影响.同时将微重力下的实验结果与地面功能模拟的实验结果进行了对比.实验结果表明,微重力环境下自然对流基本消失,导线和电子电气元件的散热情况恶化,在过载的情况下,就可能过热,从而导致失火.搭载实验中导线先期着火征兆的获得,将为开发我国微重力下的着火监测和早期报警装置提供新的技术途径,为我国载人航天飞行器内安全防火的工程技术工作提供科学依据和基础数据资料.      

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

落塔微重力水平激光干涉测量方法中的干扰因素分析

落塔是获得微重力环境的重要设施,落塔微重力水平的测量对微重力科学实验的研究至关重要. 激光干涉是测量落塔微重力水平的一种新方法,这种方法的基本原理是让一个参考落体在落舱中自由下落,落舱由于受到服外空气阻力的作用将与自由落体运动略有差异,1 11. 肫内的参考落体则更接近理想的自由落体运动,这就使得落舱与参考落体之间存在着加速度差,这种加速度差便反映了落服的微重力水平,其所导致的相对运动则可通过激光干涉的方法测量出来. 本文对落塔微重力水平的激光干涉测量方法中将会遇到的一些主要干扰因素进行了分析,计算结果表明,这些干扰网素所造成的总误差约为 1.2 x 10-7g,低于微重力水平的预测值 10-4~lO-6 g,因此该方法是一种比较可行的测量方法.