用国产装置进行的空间蛋白质结晶实验

使用国内研制的管式汽相扩散结晶装置,在我国返回式卫星上,成功地完成了两次空间蛋白质晶体生长实验,10种不同种类的蛋白质配制的48个样品在空间的出晶率分别达52%和80%,其中少数蛋白质生长出了较高质量的蛋白质晶体。结果表明,空间的微重力环境利于改善蛋白质晶体的生长,而且在结晶条件优化足够好的条件下,在空间里能生长出比地面晶体尺寸较大、形态较好和内部有序性较高的蛋白质晶体。本文还就微重力对蛋白质晶体生长的具体作用及其开发利用做了讨论。     

空间微重力条件下碲镉汞晶体的布里支曼生长

在中国返回式卫星上进行了一台双温区空间晶体生长炉的搭载试验，成功地实现了空间微重力条件下碲镉汞晶体的布里支曼生长，取得了一些有意义的结果。文章介绍了这种晶体炉的设计和空间试验的过程；分析了回收样品的主要测试结果；并对空间材料加工装置的设计和一些相关工艺问题进行了讨论     

地面模拟静止微重力环境中导线先期着火特性研究

针对在微重力环境中运行的载人航天飞行器上的电缆和导线在工作时由于电流过载导致温度升高而引起着火的情况,提出了"功能模拟"实验原理,并且利用地面实验设备对微重力环境下导线的着火前期特性进行了功能模拟实验研究.通过实验,得到了在微重力情况下由于浮升力的减小使自然对流减弱导致电流过载时导线的热平衡温度高于地面正常重力情况,从而证明了这正是引起航天飞行器着火的潜在点火源.     

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。     

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发.液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用,液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起,使得气液界面的传热传质规律更加复杂.用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型,得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式.对于热毛细对流和蒸发耦合情况,采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程,得到了不同蒸发Biot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解.论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式.     

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.     

真空和微重力下烟幕粒子动力学特性研究

为了研究红外烟幕在外层空间的适用性,基于外层空间环境高真空和微重力的特殊性,分析烟幕粒子的真空和微重力效应,采用分子运动论理论近似模拟真空和微重力下烟幕粒子的动力学特性,建立烟幕粒子间距函数模型,利用Mathematica方法计算了烟幕材料粒径、密度及粒子运动时间对粒子间距大小的影响.结果表明,随着烟幕材料粒径及密度的增大,粒子间距逐渐减小,形成烟幕的稳定性逐渐增大;粒子运动时间愈长烟幕愈不稳定.     

微重力条件下红外材料的空间生长

根据近年红外材料在空间生长的研究概况,分析了涵盖熔体、气相、液相外延和分子束外延等生长方法及各个方法生长红外材料的基本原理,在地面生长遇到的问题,以及在空间微重力环境中进行红外材料生长的优势.同时基于中国利用熔体法在天宫二号上已经进行的ZnTe：Cu晶体的空间生长科学实验及地基实验结果,通过对空间和地面实验结果进行对比,提出了在超高真空环境下,利用分子束外延方式生长高性能、大尺寸红外材料的可能性,以及未来在空间微重力条件下进行红外材料生长的研究方向及具体应用.     

微重力环境下半球形贮箱液体重定位试验研究

本文利用落塔形成的微重力环境,对半球形贮箱中液体重定位问题进行了试验研究。所用液体与半球形箱壁之间的接触角为零并在加载前形成了失重初始凹液面.本试验分侧向不加干扰及加干扰两种初始条件.通过高速摄影机观察了液体重定位的全过程并测量了重定位流速和重定位时间。试验结果表明,液体重定位呈壁流流型.实测重定位时间与理论估算值一致.     

微重力环境下导流叶片流体传输速度的试验研究

导流叶片是板式表面张力贮箱的关键部件之一,微重力条件下,它的流体传输性能决定了表面张力贮箱的推进剂管理能力.搭建导流叶片模型试验系统,针对不同截面形状的导流叶片模型的流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下导流叶片流体传输规律.试验结果表明,不同截面形状的导流叶片对流体传输性能有较大影响,合理设计导流叶片截面形状可有效地控制液体传输速度,并且为推力器提供不夹气的推进剂.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件优化设计提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新的方法.     

基板和流速对羟基磷灰石生长的影响

通过共混制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）/羟基磷灰石（HAP）和PDMS/生物玻璃复合材料作为生长基板,研究了静止条件下不同基板上HAP的生长.设计了一套流速加载装置,观察模拟体液流速对生物玻璃基板上HAP晶体生长的影响.研究发现在静止条件下,HAP晶体在PDMS复合材料上比在生物玻璃上生长更快,尺寸更大;随着流速的增加,HAP晶体尺寸更大而且无定形沉淀数量减少.     

Solidification and Crystal Growth on the SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite

The low-gravity environment aboard the space provides a unique platform for understanding crystal-growth-related phenomena that are masked by gravity on the Earth and for exploring new crystal growth techniques. We have characterized the wetting behavior of metal alloys and carried out melt growth of compound semiconductors under the support of materials science program in the SJ-10 recoverable satellite. We found that interfacial reaction plays a significant role in the interfacial evolution of Sn-based alloys. Detached growth of InAsSb was realized under microgravity, whereas during the terrestrial experiment the crystal and the crucible wall contact with each other. Moreover, the suppression of buoyancy-driven convection results in a more uniform composition distribution in the InGaSb and Bi₂Te₃-based semiconductor alloys.     

Predicting the effects of gas diffusivity on photosynthesis and transpiration of plants grown under hypobaria

As part of a Bio-regenerative Life Support System (BLSS) for long-term space missions, plants will likely be grown at reduced pressure. This low pressure will minimize structural requirements for growth chambers on missions to the Moon or Mars. However, at reduced pressures the diffusivity of gases increases. This will affect the rates at which CO₂ is assimilated and water is transpired through stomata. To understand quantitatively the possible effects of reduced pressure on plant growth, CO₂ and H₂O transport were calculated for atmospheres of various total pressures (101, 66, 33, 22, 11 kPa) and CO₂ concentrations (0.04, 0.1 and 0.18 kPa). The diffusivity of a gas is inversely proportional to total pressure and shows dramatic increases at pressures below 33 kPa (1/3 atm). A mathematical relationship based on the principle of thermodynamics was applied to low pressure conditions and can be used for calculating the transpiration and photosynthesis of plants grown in hypobaria. At 33 kPa total pressure, the stomatal conductance increases by a factor of three with the boundary layer conductance increasing by a factor of ∼1.7, since the leaf conductance is a function of both stomatal and the boundary layer conductance, the overall conductance will increase resulting in significantly higher levels of transpiration as the pressure drops. The conductance of gases is also regulated by stomatal aperture in an inverse relationship. The higher CO₂ concentration inside the leaf air space during low pressure treatments may result in higher CO₂ assimilation and partial stomata closure, resulting in a decrease in transpiration rate. The results of this analysis offer guidelines for experiments in pressure and high CO₂ environments to establish ideal conditions for minimizing transpiration and maximizing the plant biomass yield in BLSS.