俄羅斯“光子”科學衛星解密

□ 李浩悅

“光子”M4衛星是俄羅斯最新研制的科學衛星，于莫斯科時間2014年7月18日從拜科努爾航天發射場升空，星上載有壁虎、果蠅、蘑菇、植物以及多種微生物，還有22套科學儀器。目的是在微重力條件下獲得失重的新知識、探究半導體材料生產工藝、改進生物醫學藥物性能以及開展生物和生物技術科學研究。2014年9月1日，“光子”M4衛星在運行42天后在俄羅斯奧倫堡成功著陸。本文對該衛星的任務及相關情況進行綜合介紹。

“光子”系列衛星發展回顧

“光子”、“光子”M系列衛星是俄羅斯“中央專業設計局-進步”國家火箭航天科研生產中心研制的科學衛星，用于進行太空科學技術實驗、生產各種工業和科學材料和生物制劑，以及開展國際合作項目。配套協作單位還有俄羅斯航天地面基礎設施運營中心、中央機械制造研究院、科學院生物醫學問題研究所及薩馬拉國立航空航天大學等。

在1985-1999年期間，俄羅斯發射了12顆“光子”衛星，在2005-2007年又發射了“光子”M1、M2衛星（表1），這些衛星進行了下列6類科學實驗：

①開展用大規模定向結晶方法獲得半導體材料的技術實驗；②培養不同物質晶體；③獲得生物活性物質；④研究失重物理問題；⑤開展細胞生物學實驗；⑥研究開放宇宙空間對生物體的影響。來自俄羅斯、比利時、瑞典、西班牙、意大利、英國、德國、加拿大、中國、荷蘭、美國、法國、捷克斯洛伐克等許多國家的專家學者和科學設備研制人員參與了相關工作。

表1 “光子”和“光子-M”系列衛星發射情況

“光子”M4衛星結構

為了在太空生產技術實驗領域繼續研究新材料和高純物質，俄羅斯“中央專業設計局-進步”國家火箭航天科研生產中心以“生物”M衛星為基礎，最新研制了“光子”M4衛星，該航天器能夠實施更大規模的航天技術、生物技術、材料科學方面的計劃項目。

“光子”M4衛星主要由三部分組成：返回艙、儀器艙和部件艙。返回艙是球形密封結構，殼體由鋁合金材料制造，外表面有熱防護涂層，殼體上有安裝維護儀器的艙口。儀器艙是錐體和柱體相結合的密封結構，外部安裝儀器和運動控制系統、溫度調節系統部件，指控測量系統和遙測控制系統天線，制動發動機裝置，內部是保障設備。部件艙是柱形密封結構，裝有化學電源和溫度調節系統部件。

“光子”M4衛星重6280千克，其中科學設備重850千克

“光子”M4科學試驗任務

“光子”M4衛星的飛行試驗是對國際空間站俄羅斯艙段應用科學研究的重要補充，其任務主要是進行生物醫學試驗、科學項目試驗和太空材料研究試驗。

本次“光子”M4衛星的太空生物醫學研究包括8項試驗：

①“壁虎”F4（ГЕККОН-Ф4）試驗，主要目的是研究微重力對成年動物機體的影響、它們的性行為及胚胎發育，試驗過程進行連續的視頻記錄。

②“熒光探測器”（ФЛУОТРЕК）試驗將研究太空飛行中細胞內系統狀態的變化動態。為此在不同的飛行階段，借助熒光探測器記錄線粒體的膜能量，以及分析溫度對試管內細胞功能調節過程的影響。

③研究利用微生物獲得電的過程，在失重條件下發電，在“生物電學”（БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО）試驗框架下進行。研究目標是電極（陽極和陰極）和微生物燃料構成的離子交換膜，以及微生物團體和純微生物-發電機。

“光子”M4衛星外形結構

④“微生物生長”（БИОФРОСТ）試驗的目的是研究太空飛行對來自多年凍土層的微生物綜合體的影響。

⑤“微生物輻射-F”（БИОРАДИАЦИЯ-Ф）試驗研究太空離子輻射的性能，及其對暴露在宇宙空間和衛星內部的生物體的影響效果，研究對象是干燥的種子，蠶卵及其他不需要在太空飛行中維持生命活動的生物體。

表2 “光子”M4衛星主要性能參數

⑥“隕石”（МЕТЕОРИТ）試驗用于研究微生物在模擬隕石和小行星的材料中的生存能力。

⑦“真菌學”（МИКОЛОГИЯ）試驗開展純菌類微生物、側耳，以及葉狀體蘑菇共生體（綠皮地卷）在太空飛行中的生長和發展結構功能研究。

⑧“生物變化”（БИОТРАНСФОРМАЦИЯ）試驗的研究對象是有氧微生物培養。試驗目的是用微生物方法研究聚乙烯薄膜降解的過程。

“光子”M4衛星的科學項目包括十多個試驗：

“隨航技術設備-15”（КБТС15）是“光子”M4衛星的一項重要科學儀器，用于開展在無重力條件下培養對紅外設備、發生器和不同輻射的傳感器有獨特作用的半導體晶體技術試驗，以及研究微重力條件下的工藝過程，設備組成包括：①自動化的電真空爐“偷渡客-2”（Полизон-2），加熱溫度1200℃，用于以區域融化法培養晶體，電爐裝有用于影響結晶過程的磁擾頻器和振蕩器；②技術程序自動控制系統，包括溫度監控；③電爐真空處理系統；④帶實驗材料的密封容器。

“隨航技術設備-15”（КБТС15）主要用來進行下列試驗：

“偷渡客-2”電真空爐

“蛋白質”科學設備

·“微結構”（Микроструктура）-用定向結晶方法培養高度完善的蛋白晶體。未來打算在太空飛行條件下進行這種晶體的工業生產，這種晶體可用于制造治療腫瘤疾病的新藥和納米生物感應器。

·“金屬間化合物”（Интерметалл）-金屬間化合物在微重力條件下定向結晶，用于獲得新的金屬合金。

·“富勒烯”IFTT（Фуллерит-ИФТТ）-低重力和振動環境對富勒烯晶體生長的影響，用于獲得指定特性的新材料。

·“均勻性”（Однородность）-研究微重力條件高均勻性對半導體(Ge,GaSb)單晶生長過程的影響，試驗可優化當前高效熱光電轉換單晶生長的地面工藝技術。

此外，“光子”M4衛星還裝有用液體擴散及氣體環境擴散法培養蛋白質晶體的“蛋白質”（Белка）科學設備。很多蛋白質在地面條件下無法晶體化，在太空失重條件下可在特定模塊中進行。

安裝在衛星上的儀器“量規”（Калибр）， 用于研究微 重力對相變溫度的影響，研究結果將在當前建造中的世界地球觀測系統 (GEOSS)上應用。在“光子”M4衛星上還安裝了“振動”FM（Виброеон-ФМ）、СВС-ФМ，“防振”（Виброзащита）等儀器。所有的研究都有應用特性，用于完善一系列技術。太空飛行結束后，“光子”M4衛星上所有返回艙內部帶試驗樣品的科學儀器返回地球，以做進一步研究。

實驗結果有待揭曉

“光子”M4衛星發射后，曾于7月23日和地面失去聯絡，所幸技術人員在兩天后重新建立了聯系。俄羅斯航天局領導人奧斯塔片科當時表示，衛星沒能抵達預定的575千米高度軌道，這一點無法改變，但大部分實驗也依然可以進行。

2014年8月27日，俄羅斯國家委員會召開會議，討論了在“光子”M4衛星上完成科學實驗的結果，并決定讓“光子”M4衛星著陸器盡快返回地面。

9月1日，“光子”M4衛星在俄羅斯奧倫堡州著陸。研究人員發現，所有5只壁虎全部死亡，但是果蠅和微生物還活著。俄專家稱，除了有關壁虎的試驗外，其他試驗都完成了。

俄塔斯社9月3日報道，專家在對壁虎解剖分析后認為，它們約在著陸前2天內同時死亡，原因可能跟壓力急劇下降有關。

俄羅斯科學院醫學生物問題研究所副所長表示，在“光子”M4衛星上的果蠅試驗取得重大成績。這些果蠅在太空飛行了42天，這是以往的試驗不曾有過的。對返回地面的昆蟲的研究，有助于人們理解動物器官在太空飛行中的調整適應過程和遺傳變化。

表3 KBTS-15設備的主要特性：

相關鏈接

表4 “光子”M4衛星的試驗設備情況

用于太空材料科學領域研究的科學儀器儀器名稱 儀器研制（試驗管理） 試驗項目 規劃的試驗成果應用КБТС15 КАЛИБР ВИБРО КОН-ФМ航天地面基礎設施運營中心發射設施研究所（航天地面基礎設施運營中心發射設施研究所，俄羅斯科學院結晶學研究所航天材料學研究中心，俄羅斯科學院固體物理研究所）航天材料學領域基礎研究，獲取大批量晶體。“光子”M衛星上的主要航天科研設備之一是“偷渡客-2”電真空爐，爐內裝有可放置12個原料密容器的儀器箱，每個密封容器輪流進入爐中以指定的溫度加熱，并以指定的速度從爐中抽出，晶體在密封容器內生長。利用這樣的裝置進行下列試驗：微重力條件和參數對高度均質半導體（Ge，GaSb）單晶培養過程的影響（項目代號“均勻性”）在微重力條件下用定向結晶方法培養高度完善的蛋白晶體（代號“微結構”）在微重力條件下金屬間化合物的定向結晶（ 代號“金屬間化合物”）低重力和振動對富勒烯晶體生長的影響（ 代號“富勒烯”IFTT）在微重力條件下獲得帶摻入均質亞微米合金化添加物的Ge:Ga和GaSb:Te，用以優化現有的地面高效熱光電轉換單晶培養工藝技術，未來打算在太空進行單晶工業生產在太空飛行條件下獲得巨生物分子晶體并進行后續的地面研究，包括：磷酸化酶，用于制造治療腫瘤的新藥；漆酶晶體，用于制造納米生物感應器；核糖體鈍化蛋白晶體，用于制造新藥-免疫毒素。今后打算在太空進行這些晶體的工業生產修訂現有的金屬間化合物由融化到非平衡定向結晶的結晶模型（獲得特定性質的合金材料。模擬在太空生產這種金屬的可能性）在微重力條件下獲得結構缺陷的低密度富勒烯晶體（獲得特定性質的合金材料。模擬在太空生產這種金屬的可能性）俄羅斯科學院全俄光學物理測量研究所（俄羅斯科學院全俄光學物理測量研究所，中央機械制造研究院）材料學基礎研究：《測量共晶體合金 Ga-In、Ga-Sn及純Ga融化/結晶過程的加熱-冷卻溫度曲線》（設備和航天試驗代號是“量規”）研究微重力對相變溫度特性的影響，研究結果可用于正在建造的全球對地觀測系統（GEOSS）無線電測量校準設備所采用的基準中央機械制造研究院（俄羅斯科學院機械問題研究所，中央機械制造研究院）研究微重力條件下受控振動對模擬定向結晶中液相熱質傳遞過程的影響及在多相環境中的生長過程《測定擴散液體在彼此不混溶的液體系統中擴散和分布系數》以直接觀察被測物體的運動來確定微重力環境（代號“動力學”FM深入理解獲得大量工業產品所用的液體環境的過程，以提供完善工藝的可能性。獲得補充數據，優化計算微重力對不同液體影響的數學模型（可能用于解決與計算微重力影響相關的問題）СВС-ФМ 中央機械制造研究院（俄羅斯科學院結構宏觀動力學研究所）在失重條件下自我繁殖高溫合成過程基礎研究兩項超高溫合成多孔復合材料（指定結構）的試驗。模擬這種材料在太空飛行條件下工業規模生產的可能性БЕЛКА 航天地面基礎設施運營中心發射設施研究所開展用液體擴散和氣體擴散方法培養蛋白晶體的試驗研究在液體和氣體環境中培養特別大的蛋白晶體的可能性

“光子”M4衛星返回艙外部的科學儀器

“光子”M4衛星返回艙內部的科學儀器

用于開展不同研究的科學儀器設備儀器名稱 儀器研制（試驗管理） 試驗項目 規劃的試驗成果應用ИМ-ФМ ВИБРОЗ АЩИТА中央機械制造研究院（俄羅斯應用數學研究所，中央機械制造研究院）開發用于記錄微加速度的儀器設備 以開發記錄微加速度為目的的應用研究中央機械制造研究院（俄羅斯科學院機械問題研究所，中央機械制造研究院）振動對熱轉移影響的基礎研究 研究獲得工業產品的過程，完善工藝技術КСКМ 薩馬拉國立航空航天大學測量返回艙內部磁場變化、計算返回艙內部制定位置在0～0.01赫茲低頻段的微加速度、模擬微加速度調整的應用研究修訂太空飛行對航天器單獨部件的影響МРТ 俄羅斯科學院復雜系統控制問題研究所在航天器飛行的所有階段多通道記錄КНА-Ф局部區域溫度數值研究航天器飛行所有階段КНА-Ф局部區域溫度數值變化