载人航天连续报道21世纪载人航天活动展望(6)

4.2 对抗措施系统的研究 对抗措施主要分两个系统:一个系统是针对火星上低重力环境的;另一个系统是针对居住舱内其他环境因素的,如舱内的压力、温度、大气成分、微生物、食物和照明等.     

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验...     

三维回转器回旋条件下拟南芥种子发育分析

向重力性反应是植物适应地球重力环境的一个重要生理过程, 是植物正常生长发育不可缺少的反应机制, 但是, 微重力是否影响植物种子发育至今尚无一致性结论. 本文研究了三维回转器回旋模拟微重力对拟南芥种子发育(胚胎发育与代谢活动)的影响. 研究结果表明, 三维回转条件下, 拟南芥果荚出现不规则弯曲或扭曲形态, 形成的种子中可溶性糖和淀粉含量明显增加, 盐溶性贮藏蛋白质含量显著降低而碱溶性蛋白质含量显著升高, 球形胚时期的种子对三维回转处理最为敏感. 对球形胚时期的植株进行短期的三维回转处理可抑制胚柄细胞的分裂和伸长, 而胚柄伸长受阻可能会影响到营养物质向胚胎中输送, 进而导致部分胚胎败育. 对种子干燥脱水阶段的植株进行三维回转处理不影响胚胎的发育, 但会导致种子贮藏蛋白质含量下降.      

落弹舱的微重力环境

本文首先建立了分析落弹舱运动的各种坐标系,给出了解算姿态运动参数的数学模型.然后根据落弹舱微重力加速度的物理背景,对其微重力环境进行了数学描述和物理解释,推导了舱内任意部位微重力加速度表达式,阐明影响微重力环境的主要因素是气动阻力和姿态角运动.最后分析和近似估算了落弹舱的微重力水平,给出了气动阻力对落弹舱微重力水平影响的数值计算结果:平流层气球在30km以上释放落弹舱,优于5×10-2g的微重力持续时间超过30秒.      

空间微重力条件下偏晶合金的研究

利用我国首次卫星搭载,进行了偏晶合金Zn—Pb、Al—Pb 的空间微重力下的重熔试验,研究了低于临界温度下Al—Pb 合金重熔过程中的物理规律;在临界温度之上重熔了Zn—Pb 合金,发现了Marangoni 对流对合金凝固过程的影响;在液态烧结条件下制备了均匀的粉末Zn—Pb 合金。在微重力下的研究表明:空间微重力条件对消除由于重力引起的宏观偏折和自然对流十分重要,但在重力消失后,非重力的其它因素的影响又显得格外重要。     

国际空间站的空间生物科学技术研究计划

国际空间站 (ISS)是有史以来的第 10个空间站 ,也是迄今为止最大的空间站。目前处在边建设边利用阶段。空间生物科学技术是空间科学的主要内容之一 ,开展其研究也是进行载人空间活动的一个主要因素。美国航宇局 (NASA)将在 ISS上进行生物科学技术研究 ,为此提出了其全面计划 ,该计划涉及生命科学与微重力科学两个领域。1　生命科学领域该领域的计划分为 6个方面 :基础生物学、重力生物学与生态学、生物医学研究与防护措施、空间生理学、三维肿瘤组织培养和离心机生活舱。1.1　基础生物学计划该计划支持基础生物学研究 ,从亚细胞、细胞到…     

“生命科学卫星”计划述评

“生命科学卫星”（Ｌｉｆｅｓａｔ）是一颗不载人的再入式卫星，可重复使用，属ＮＡＳＡ和国际空间生命科学共同体共用。其上将带有大量的生物样品，包括细胞和组织、植物、无脊椎动物和小的哺乳动物，目的是了解空间环境（即空间高能辐射和微重力）对生物系统的影响。样品放在卫星有效载荷舱内。该卫星拟用德尔它正号火箭或其他运载工具发射，它将按进行空间辐射效应的特定研究的要求，发射到不同的轨道上。该卫星具有０～１．５ｇ的人工重力能力，使研究者们可以研究不同重力水平对生命形态和功能的重要影响。其设计的性能参数见表１。虽…     

微重力下胶原蛋白纤维化及羟基磷灰石结晶的初步研究

在长期空间飞行过程中, 骨质丢失是一个严重问题. 羟基磷灰石(HAP)晶体是骨骼的主要成分, 骨骼中的胶原蛋白纤维在HAP生长结晶过程中起到关键作用. 研究了胶原蛋白纤维化过程在模拟微重力和常重力条件下的变化, 对以胶原 蛋白纤维作为模板生长出的HAP晶体形貌进行了观察. 结果表明, 不同浓度胶原蛋白溶液中形成的胶原蛋白纤维, 其内部孔隙数量和尺寸在模拟微重力条件下要明显大于常重力条件下, 胶原蛋白纤维内部孔隙的分布也不同于常重力条 件下的结果. 以模拟微重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的HAP 晶体主要为立方体状, 而以常重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的 HAP晶体形貌主要为板状. 该结果有助于未来进一步阐明空间骨质丢失的机理.      

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO₂气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.      

A1CuMgZn单晶合金的空间凝固

重力对合金凝固过程与缺陷形成具有重要影响.在常规地面条件下难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律,而在微重力环境中重力对熔体的作用以及对凝固过程的影响大大降低.利用天宫二号空间实验并结合地面对比实验,研究AlCuMgZn单晶合金在微重力和重力环境下枝晶生长形貌和特征参数差异以及成分偏析和缺陷形成的异同,揭示重力对枝晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用.     

微重力下低温液氪贮箱热力学特性

在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境。为研究其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元工作性能的影响,建立了微重力液氪贮箱CFD模型,采用VOF法及Lee气液相变理论,研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明:常重力g0下贮箱的压升率分别为10^-4 g₀,10^-5 g₀,10^-6 g₀的1.84倍、1.98倍、2.04倍,微重力下温度分层程度(2～3 K)远低于常重力(90 K);不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势,且初始液氪温度越低,贮箱压升率越小;微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率,当初始充满率Φ>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大,当Φ<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。     

微重力环境下的表面张力及无接触测量

表面张力是材料重要的物理化学参数之一, 尤其在微重力条件下, 由表面张力引起的科学现象一直备受关注. 静滴法是地面重力条件下进行熔体表面张力测量的主要方法, 该方法的测量结果精确, 但在微重力环境下该法应用尚存在一些问题. 本文基于对表面张力理论的思考, 阐述了对其测量方法的认识和见解, 并讨论了地面上采用静滴法对熔体的表面张力进行测量研究以及静滴法在微重力条件下应用的困难. 进而介绍了利用悬浮技术进行熔体表面张力测量的无接触测量方法, 特别介绍了电磁悬浮法, 该法避免了由于容器接触带入杂质所引起的误差, 尤其在微重力条件下消除了重力的影响, 测量精度得到显著提高.      

载人深空探测任务的空间环境工程关键问题

对载人深空探测过程中将遭受的太阳宇宙射线、银河宇宙射线、微重力、尘与尘暴、深空微生物等环境进行分析。对不同深空环境给航天员带来的威胁进行了探讨。从物理屏蔽防护、辐射风险的监测和预警、辐射防护药物、航天员选拨等角度对采取的措施进行了阐述。从空间辐射对航天员的损伤机理、抗辐射和微重力药物开发、空间辐射屏蔽防护结构与材料、航天服自清洁、抗微生物侵蚀材料的研发等多个角度对需要进一步开展的工作进行了讨论。     

植物细胞响应重力变化的Ca2+信号

重力大小的改变(微重力和超重力)可以对植物的生长发育、生理生化特性、细胞超微结构、基因和蛋白的表达等产生广泛的影响,而Ca~(2+)可能在此过程中起信号物质的作用.重力刺激在植物细胞中引发事件的顺序可能是:重力刺激的感受—细胞膜系统张力改变—膜理化特性改变—膜透性、离子转运、膜连接酶活性等改变—Ca~(2+)信号的产生和转导—新陈代谢变化—生理反应.植物对重力水平变化应激响应的至关重要一步是引起细胞内Ca~(2+)分布区域和浓度的变化,这是将细胞外重力刺激转换为细胞内化学信号的关键步骤.由于机械力敏感的C~(2+)通道的活化和Ca~(2+)-ATPase酶活性受到抑制,重力改变时细胞质中自由Ca~(2+)浓度增加,随后Ca~(2+)作为第二信使介导相关酶活性发生改变,最终引起一连串的生理生化反应.本文探讨了重力变化对植物细胞质内自由Ca~(2+)浓度的影响、Ca~(2+)信号的产生机制.以及Ca~(2+)作为次级信号对细胞生理生化过程调节作用的途径和机制,介绍了常用的Ca~(2+)研究方法,并分析了研究的关键点和难点.     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

日研制有机晶体生长装置

美航宇局(NASA)将于1990年使用航天飞机实施第一次国际微重力实验(IM-L_1),实验采用日本工业技术院电子技术综合研究所研制的有机晶体生长装置,在重力只为地面万分之一的微重力环境里,制造新的超导材料等。IML 计划是 NASA 从日本及欧洲各国募集实验装置,将它们搭载在航天飞机上进行新材料和生命科学的实验,经费由 NAS—     

1990年中国返回式卫星的微重力水平监测

叙述了1990年中国返回式卫星采用的微重力测量系统概况、微重力测量数据的处理方法、微重力测量结果与分折。指出:这是国内首次空间微重力水平监测;研制的JS05-1A 微重力测量仪动态精度优于4μg,响应时间6ms,达到了国际同类仪器的先进水平;该仪器为指导优化空间晶体生长的微重力环境及了解卫星工作状况提供了有力手段。通过对该卫星微重力水平监测所获得的73505对数据进行分折,发现有效载荷动作是影响卫星微重力水平的主要因素,为10~(-4)g 量级;有效载荷不动作时,除1.23%的时间存在10~(-4)g量级不明干扰外,有97.6%的时间微重力的绝对值小于4×10~(-5)g,仅O.3%的时间在10~(-4)g 量级。     

低真空、微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响

以空间装置中气体自然对流传热问题为目标,导出显含温度和压强两个独立热力学参数的Rayleigh 数和Knudsen 数的表达式,分析了各个特征压强段气体传热的不同状态,比较了在连续介质流动中低真空(压强大于10Pa)和微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响,导出了气体压强与重力对低真空气体自然对流的影响的相似性关系式,由此可以推断低真空或微重力状态下气体自然对流的强弱的相互关系。     

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.      

微重力效应的物理解释及其应用

讨论了微重力效应及其分子物理学解释，万有引力的单极性决定了它的累积性和宏观性，重力对自由分子的影响是微科其微的，然而在流钵，特别是在液体内部的具体条件下，重力对流体内部分子集团产生明显影响，以宏观的静压强形式表现出来。而当重力变小，变微，流体内部的静压强也就趋于消失，由静压强产生的二级现象，如异相沉降或浮泛。同相的浮泛对流，液体自约束成球形，也就消失，这些就是微重力的一，二级物理效应，本文认为，Bossinesq近似对于流体而言实质上是线性热力学假设或近平衡态假设，可以用初始平衡态的物性参量表征临界点时的无量纳数，提出一种重力消失诱发非平衡态向平衡态蜕变的猜想，从文中导出的瑞利数Rα的表达式可以看出，重力加速度的消失，可以使瑞利数的值从远离平衡态的湍流蜕变到稳定流动的瑞利－贝纳对流胞，甚至是没有宏观流动的平衡态，最后，将本文给出的理论解释模型应用到空间材料加工所需微重力水平的估算、窨材料加工工艺的微重力利用准则和空间装置中气体自然对流传热状态模拟的低真空和微重力的互换性方面。