“實踐十號”衛星

佘惠敏

2016年4月6日1時38分，我國首顆微重力科學實驗衛星——“實踐十號”返回式科學實驗衛星，在酒泉衛星發射中心成功發射升空。這顆衛星涉及了19項科學實驗，是迄今為止我國單次衛星任務中空間科學實驗項目及種類最多的。

在順利完成12天太空飛行后，“實踐十號”衛星的回收艙于18日16時30分準確降落在內蒙古四子王旗預定著陸區域，隨后被順利回收。

“實踐十號”傍晚從太空滿載而歸，科學家們忙著拆箱看寶貝，直到深夜。

10年的期待

“實踐十號”是一顆返回式衛星。中國是繼美國和俄羅斯之后第三個掌握返回式衛星技術的國家。

“這是中國第25顆返回式衛星，我們準備的時間有10年。”“實踐十號”衛星首席科學家、中科院力學研究所研究員胡文瑞院士介紹，2006年發射并成功回收的“實踐八號”，是本次任務的前次任務。那時中國科學家就想在返回式衛星上做更多更復雜的微重力實驗，并曾篩選出了20個實驗項目，但直到中科院開始空間科學先導專項，這顆期待已久的科學衛星才于2012年底成功立項。

中國科學家們為何如此期待微重力科學實驗？

微重力科學

微重力科學是力學、物理學和生物學的新興交叉學科，它主要研究在微重力環境中物質的平衡和運動的規律。在微重力環境中，由地球重力產生的浮力、沉淀、壓力梯度等過程基本消失，這就為微重力科學各學科領域的發展創造了極好的機遇，孕育了學術的重大突破。載人空間站和載人空間探索工程需要微重力科學的支撐，而微重力科學的發展推動了許多空間和地面的重大高新技術的發展。

空間科學衛星工程常務副總指揮、中科院國家空間科學中心研究員吳季介紹，地球上的物理現象都會受到地球重力的影響和制約，例如浮力、沉降和壓力梯度等，這讓我們難以探尋物質本質規律，而宇宙空間的微重力環境可以幫助我們去除這層重力面紗。

“重力消失，是一種極端物理條件。極端物理條件必然意味著重大突破。微重力涉及許多物理學重大問題，比如引力波。”胡文瑞說，微重力環境的實驗有望讓我們在重大基礎研究和應用研究方面取得突破性進展。

中國空間站近幾年就要上天，空間站可以做很多微重力實驗，為什么還要用返回式衛星來做？

胡文瑞介紹，空間站的實驗和返回式衛星的實驗各有特色，此前做實驗方案設計時，曾與我國載人航天工程的研究人員做過溝通，以避免重復實驗。返回式衛星有一些空間站難以取代的優點。比如返回式衛星的微重力水平更高，可以達到10的負6次方重力水平，而空間站的微重力水平一般只能達到10的負3次方重力水平。

“‘實踐十號是我國首顆大規模無人微重力實驗衛星。”衛星系統總師、航天科技集團第五研究院研究員趙會光說，此次將需要精度最高的實驗放在衛星最好的部位，微重力水平可以優于10的負6次方重力水平，而衛星總體環境是10的負4次方重力水平。

返回式衛星的實驗成本也比空間站低。“美國運一公斤載荷到空間站，要花費2萬美元。俄國用返回式衛星做微重力實驗，一公斤載荷的成本是4000歐元。”胡文瑞說。

對于做微重力環境下的生命科學類實驗來說，返回式衛星的機動性能更好。生命科學類實驗希望實驗項目裝載時間離火箭發射時間越近越好，這樣可以減少重力條件對實驗結果的干擾。“實踐十號”返回式衛星可以做到在發射前8小時，最后一個實驗載荷才裝上衛星，實驗完成后也可以馬上回收相關裝置。但空間站做的微重力實驗是有人操作實驗，發射上天要優先考慮載人航天需要，不管是最后裝星還是馬上回收，都很難做到。“以前衛星很少在發射之前還安排那么多事情，但這次為了實驗需要，我們對加注時間做了調整。”衛星運載系統總指揮、航天科技集團第八研究院研究員談學軍說。

此外，我國返回式衛星是雙艙，與俄羅斯的單艙返回式衛星相比，我們可以在其中一個艙做比較危險的實驗而不必擔心影響到另一個艙。比如在“實踐十號”上，就加載了比較“危險”的燃燒類實驗。

15天的綻放

“實踐十號”衛星的設計壽命為15天，為了這15天的綻放，科學家們對它進行了精心設計。

衛星有留軌艙和回收艙兩個艙，將在軌道上利用太空中微重力等特殊環境完成19項科學實驗，涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射效應、重力生物效應、空間生物技術六大領域。

這次“實踐十號”衛星研制，雖然時間緊任務重，參與者卻非常興奮，因為“每個項目都有很有意思的設計，有潛在的非常重要的科學意義和應用意義”。

例如，由清華大學和華中科技大學兩家單位負責的微重力條件下煤粉/煤粒燃燒實驗，就對節能減排具有重要意義。“具體煤燃燒過程如果研究清楚了，可以改進地面煤燃燒效果。”胡文瑞說。

至于導線絕緣層和典型非金屬材料這兩個微重力燃燒實驗，胡文瑞說：“這兩項燃燒實驗就是要觀察微重力條件下材料著火、燃燒以及煙氣析出的規律，并對比重力條件下的燃燒規律，建立我國自己完整的航天防火規范服務。這將對未來我國空間站的防火問題起到重要作用。”

此外，科研人員還將首次開展微重力條件下的造血干細胞和神經干細胞三維培養研究、哺乳動物早期胚胎發育研究等，為人類疾病的有效預防以及長期空間活動的生殖發育健康和繁衍等提供科學依據，通過揭示空間微重力環境對生命體生理穩態的影響規律及其機理，為未來載人航天的發展提供必要的基礎支撐。

為了這15天的綻放，在衛星技術方面，“實踐十號”衛星的分系統也得到了較大的技術改進。“這次衛星實驗有很多新需求，我們以集成創新方式，提出了新需求的新解決方案。”趙會光介紹，作為我國新一代返回式衛星，“實踐十號”衛星實現了三大技術飛躍：一是姿態控制采用小發動機作為推進系統的推力器，可以保證較好的衛星微重力水平；二是以與國際接軌的數據管理系統替代原先的程序控制器，使得遙控指令和遙測數據的安排以及改變飛行程序的數據注入都更加靈活；三是增設流體回路的熱控分系統，使衛星回收艙內部的熱能有效排到星外，以確保生物樣品的溫度環境。

令人驚喜的優秀生

“實踐十號”能否揭開重力的面紗，幫助中國科學家們發現物理和生命的本質奧秘？在接下來12天的太空之旅中，科學家們發現，它是一個令人驚喜的優秀生！

首先是各項在軌實驗數據十分理想。

在軌運行12天，“實踐十號”衛星中搭載的19項科學實驗，按照既定在軌實驗實施細則有序開展，遙測、數傳數據完整。衛星下傳的科學實驗數據主要包括視頻、圖像以及科學實驗參數，同時也得到了與科學實驗相關的衛星參數，如衛星留軌艙和返回艙的3軸統計微重力水平、衛星艙內溫度等。

“實踐十號”衛星科學應用系統副總工程師、中科院動物研究所研究員段恩奎說，依據對衛星下傳數據中已獲得的空間實驗結果初步分析，“實踐十號”返回式微重力衛星科學實驗進展順利，總體達到了預期的科學實驗要求，取得了預期的科學實驗結果，“一些新實驗現象已超越國際上對微重力環境下其結果的預言”。

此外，“實踐十號”上的實驗還能進行遠程調控。

有10個項目的科學家看到衛星下傳的科學實驗結果后，提出了優化調整需求，通過與技術、工程團隊的通力合作，利用預案變更途徑和應急注入等手段，對其負責的在軌科學實驗進行了多次優化與調整，改變了空間實驗參數，獲得了更為理想的實驗結果。

在衛星回家之前，我國科學家已通過“實踐十號”衛星下傳的實驗圖像看到一項重大科研成果。

“我們在全球首次實現了哺乳動物胚胎在太空的發育。”衛星中搭載的胚胎培養箱負責人段恩奎非常高興地說，團隊在全球第一次于地面上得到了小鼠胚胎在太空發育的清晰照片。

實驗團隊的“微重力條件下哺乳動物早期胚胎發育研究”項目，攜帶著數千枚2細胞小鼠早期胚胎，于4月6日搭乘“實踐十號”衛星升空。衛星上天十幾小時后，從發回的照片上，研究人員發現小鼠細胞開始分裂發育，從2細胞到4細胞、8細胞、16細胞……到60小時后，有些小鼠細胞已發育成囊胚。

段恩奎說，太空中的動物繁衍實驗，此前只做成過果蠅、金鳉魚等非哺乳類動物，但哺乳動物胚胎在太空發育的研究，一直未獲成功。1996年，美國NASA在哥倫比亞號航天飛機上曾搭載了49枚小鼠2細胞和8細胞胚胎，但等衛星回收后再觀察，這些胚胎沒有一個發育。2006年，中國的“實踐八號”衛星在完成主要任務航天育種實驗的同時，順帶加上了段恩奎參與的小鼠胚胎發育實驗。這次實驗讓我國建立起一套太空胚胎成像系統，照片順利傳回地面，但沒有看到小鼠胚胎細胞在太空中的發育。

為了本次搭載實驗，研究人員歷經10年，用了幾萬枚胚胎做了上百次的實驗，研制出一套適合胚胎在太空發育的密閉培養系統。技術人員也提供了更優良的條件，中科院上海技術物理所的張濤等人將設備齊全的“實驗室”濃縮成一個17公斤重、僅有家用微波爐大小的培養箱。衛星發射流程也進行了優化，小鼠的2細胞胚胎樣品是在衛星發射前8小時安裝進去的，最大程度保障了實驗不受地面因素干擾。

現在，衛星已經返回地面，段恩奎表示，收回的樣本已被送到實驗室進一步分析，判斷太空環境是促進還是抑制了胚胎的發育，其機理又是什么。

即將收獲的重要成果

“實踐十號”衛星有兩個艙：回收艙和留軌艙。回收艙返回后，衛星留軌艙繼續在軌工作。目前留軌艙全部8個項目的空間實驗計劃已排定。煤燃燒實驗按照預定的方案主要在留軌段完成；其他實驗項目各有1～2次的空間實驗機會，完成預定的科學實驗以及開展部分拓展實驗。衛星留軌段讓我們有機會開展危險性、拓展性的科學實驗，它將是對前期在軌段實驗的有益補充。期間，科學實驗結果仍通過衛星原遙測、數傳發射機下傳。

而搭載“實踐十號”衛星回收艙返回地球的科學樣品涉及11項空間科學實驗，其中2項為微重力科學實驗，剩余9項為空間生命科學實驗，涉及領域包括：微重力流體物理、空間材料科學、空間輻射生物學效應、重力生物學效應、空間生物技術等。

這些實驗的負責人都迫不及待地來到內蒙古回收現場，接收他們的寶貝成果。

回收“植物培養箱”的上海生命科學研究院植物生理生態研究所研究員蔡偉明說，他們培養的是模式植物，項目屬于重力生物學范疇，研究植物怎么感受失重，怎么把這種物理刺激變成生物化學信號傳下去，會產生什么影響。

“已經發現，植物細胞壁會受微重力環境影響，變得松弛。植物在地球上從沒接觸過微重力環境，面對新環境，它產生了新的適應。這個新發現為我們研究生物適應性提供了新依據，我們還將根據回收樣品做進一步分析研究。”蔡偉明說。

浙江大學教授王金福此次來回收“骨髓培養箱”，這是浙江大學和中科院空間科學院的合作項目。

“宇航員進入太空后回來，骨質變化很厲害，一個宇航員在太空一個月丟失的骨質相當于孕婦一年丟失的骨質。”王金福說，這次研究的目標，就是在真實空間看人的骨細胞分化能力與地面比較會有什么變化？導致分化能力變化的原因是什么？關鍵的細胞信號分子是什么？這樣可以有針對性地開發出新藥物，促進骨細胞生殖，維持骨質平衡。

中科院力學研究所研究員徐升華來回收中歐合作項目“Soret實驗箱”和“Soret控制箱”，這個研究微重力環境下石油組分熱擴散效應的實驗，對石油開采有應用價值，“一個深海油田的油井，打井費用上億元。在微重力環境下對石油組分熱擴散效應進行研究，可以排除地面重力因素干擾，精確測量相應的Soret系數，進而幫助建立模型，對地底石油組分分布和油氣界面位置進行精確預測，提高石油開采效率，減少開采成本”。

無論是回收艙還是留軌艙，這19項實驗將有不少后續處理和研究分析工作，它們將帶來一大波具有自主知識產權的重大創新科技成果，幫助科學家們突破生物技術、高新材料和生命科學等領域的難題。