天舟一号装了啥“硬货”

　　电光火石，轰隆巨响，划破了琼州的夜。
　　4月20日19点41分，天舟一号货运飞船搭载着长征七号遥二火箭，在海南文昌航天发射场成功发射升空。中国第一艘货运飞船的成功上天，意味着中国空间实验室飞行任务的“收官之战”打响。
　　天舟一号所肩负的任务，除了将与天宫二号空间实验室进行交会对接试验、实施推进剂在轨补加外，开展空间科学实验和技术验证，也是此次任务的“重头戏”之一。
　　4项实验研究及技术验证试验
　　人类自古就对茫茫苍穹充满敬畏和向往，也从未停止过对空间的探索和思辨。
　　“空间活动（我国称为航天事业）包括空间科学、空间应用、空间技术三个主要方面。空间科学的目的是探索新现象、发现新的科学规律。空间技术造就了空间科学和空间应用，空间科学和空间应用也反过来推动空间技术的进步，成为人类开展空间活动的不竭动力。”中国科学院院士顾逸东说。
　　天舟一号也不例外。天舟一号的货物运载量将达到俄罗斯进步号无人货运飞船额3倍，在功能、性能上都处于国际先进水平。
　　货运系统是中国建成空间站需要突破和掌握的关键技术，在轨运行航天器补给物资、补加推进剂等能力的掌握，是确保未来中国空间站在轨长期载人飞行的基本前提。
　　但在这艘无人货运飞船上，还布置了一些“高大上”的空间科学实验和技术验证性实验——天舟一号上将开展微重力对细胞增殖和分化影响研究、两相系统实验平台的关键技术研究、非牛顿引力实验检验的关键技术验证、主动隔振关键技术验证4项科学实验研究及技术验证试验，涉及12个承研单位，包括中科院和军事医学科学院所属5个研究院所，清华大学、浙江大学、西北工业大学、华中科技大学、中山大学等7所高等院校。
　　在天舟一号上定个“小目标”
　　这次上天的几个实验，无一不是非常精密的实验，需要最大限度减少扰动。
　　华中科大引力中心所承担的任务“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”，是一个有关牛顿万有引力定律检验的空间基础物理实验。在这个实验中，一个很核心的关键技术是静电悬浮加速度计。
　　“静电悬浮加速度计在国际上是一个很新的加速度测量技术，目前只有法国等发达国家掌握了这一尖端技术，并且对我国高度保密，我们只能自主研发。”华中科大教授吴书朝说，“静电悬浮加速度计还可用于空间引力波探测等，具有十分重要的科学意义。”
　　然而，这项实验的精度会受到航天器振动的影响。它需要一个神奇的“摇篮”，来尽可能地隔离一切振动。
　　“平时我们照相，手一抖，照片就会‘糊’掉，这个道理在天上也是一样的。”中科院空间应用中心副研究员董文博说，航天器虽然处于微重力环境，但是由于飞船的姿轨控、风机、飞轮、帆板的动作，带来了很多扰动。“科学实验如果不能克服这些微扰动，就达不到微重力的效果，失去了上天实验的意义。”
　　隔振有被动隔振和主动隔振之分，前者只要加弹簧或阻尼就可以，自行车车座上的就是。但这种方法隔振水平一般，不能满足高指标要求的隔振。
　　而空间应用中心研发的主动隔振则是利用磁悬浮技术，把科学载荷彻底悬浮起来，隔离来自飞船的振动，并且控制器能灵敏地感知外界的变化，及时做出调整。该实验属于国内首次实施，将为空间站高微重力实验平台研制奠定技术基础。
　　在天舟一号上，主动隔振系统刚好为静电悬浮加速度计提供了一个很好的实验平台。两者相辅相成、互相支撑，成了一对亲密的“兄弟”。
　　“天舟一号是我们的‘小目标’，我们的长期目标是做强空间磁悬浮主动隔振的技术，为更多空间应用载荷服务，如空间光学相机、激光通信等，帮助它们实现更高的科学和技术成果。”董文博说，“我们的技术也可以在航空光学吊舱、船舶减振等方面发挥作用。”
　　此外，由中科院力学研究所承担的“两相系统实验平台关键技术研究”项目开展微重力条件下流体的蒸发和冷凝实验研究，探索微重力环境下具有质量交换的相变流体界面的热与质传输特殊规律，研究重力变化对蒸发与冷凝相变传热传质过程的影响等。
　　中科院力学所研究员刘秋生说，这个项目由我国科学家首次提出，有望使我国在此领域率先获得科学成果和实验技术的突破。
　　人类健康先行者
　　天舟一号上，还安排了与人类生命健康密切相关的实验。
　　“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目将研究微重力等环境对干细胞增殖分化、生殖细胞分化及骨组织细胞结构功能的影响，包括哺乳动物细胞样品共8种，在空间进行30天的细胞贴壁培养和悬浮培养。共包括8个研究课题，聚集了该领域国内优秀的科研团队。
　　古人常说，天上一天，地上一年，在清华大学教授陈国强看来，这句话有一定的科学道理。有数据表明，航天员每月平均有0.5%～2%的骨质丢失,特别是承重骨的丢失更加严重。回到地球后，骨质恢复时间要长于飞行时间2～3倍，甚至不能完全恢复。而现有地面条件下骨质疏松药物等对微重力环境诱导的骨质疏松作用不明显。
　　几年前，哺乳动物体内酮体的一种主要组成——3-羟基丁酸（3HB）进入了陈国强的视野。3HB对骨形成具有促进作用，能够促进成骨细胞增殖、分化及矿化，抑制破骨细胞的异常活化。前期研究表明，3HB有望开发成为抗骨质疏松的药物。
　　陈国强说，这次天舟一号的实验，将首次研究真实太空环境下3HB的成骨作用，并与地面模拟失重环境实验进行对比。“这样我们就能做出更为准确的判断，为今后微重力模拟实验的研究方法提供一些新的看法和建议。”
　　与此同时，清华大学的另一支队伍则试图在太空微重力环境下诱导人胚胎干细胞分化为生殖细胞。“我们想通过这个实验想摸清太空微重力环境下生殖细胞发育与成熟的基本规律，探索胚胎干细胞分化的分子机制，从而为克服空间环境对人类生殖可能带来的影响提供理论依据和技术支持，并利用空间站环境的特殊优势，为胚胎干细胞分化研究提供新的实验模型。”清华大学教授纪家葵说。
　　更重要的是，这研究将建立其一套体外分化体系来研究人生殖细胞发育，克服太空生殖研究中人体生殖细胞取样困难的局限。
　　“太空微重力下人类生殖健康研究尚处于初级阶段，干细胞分化机制的研究也刚刚起步。”纪家葵盼望着，通过这项前沿性极强的研究，能够在太空生活对人类生殖的影响、改善太空生育能力、实现空间移民和太空生育后代等方面带去一些新的理解。
　　（本文来源：中国科学报）

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