在地球上研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，不可避免地要遇到地球引力的問(wèn)題，特別是當(dāng)物質(zhì)出現(xiàn)上下方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)。例如，熱的空氣比冷的空氣輕，它就必然向上飄。此外，地球上演化出現(xiàn)生命的現(xiàn)象，也不能排除地球引力的影響。
微重力科學(xué)是研究物質(zhì)/物體在失重環(huán)境下的行為和相互作用的學(xué)科，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要領(lǐng)域。由于完全失重，即真正的零重力很難達(dá)到，通常就以帶有微小殘余重力的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行研究。
我們所說(shuō)的微重力條件，是指失重實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到地球重力的千分之幾到百萬(wàn)分之幾的狀態(tài)。在微重力條件下，許多日常生活中被重力掩蓋的現(xiàn)象凸顯出來(lái)，如毛細(xì)對(duì)流；有些司空見(jiàn)慣的現(xiàn)象在微重力條件下則會(huì)有完全不同的表現(xiàn)，如蠟燭火焰及沸騰傳熱等。
實(shí)現(xiàn)微重力的方法主要有空間站、人造地球衛(wèi)星、探空火箭、失重飛機(jī)及落塔等。其中，微重力落塔是進(jìn)行微重力科學(xué)研究最重要也是最經(jīng)濟(jì)的地基實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
微重力落塔是建造幾十米甚至上百米高的建筑，在中間留出自由下落物體的空間，通常以圓塔的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。空氣阻力會(huì)改變物體自由下落的速度，因此，對(duì)微重力水平要求較高的實(shí)驗(yàn)，需要在塔的中間再建設(shè)一個(gè)真空的垂直管道，使實(shí)驗(yàn)裝置在沒(méi)有空氣阻力的條件下下落。由于人工建筑高度的限制，這種落塔通常只能獲得幾秒鐘的微重力時(shí)間。
中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的北京落塔是我國(guó)進(jìn)行微重力科學(xué)與空間應(yīng)用技術(shù)研究的重要設(shè)施，其旨在模擬或減輕重力的影響，為科學(xué)家們提供一個(gè)接近失重的條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這座位于北京市的落塔，在技術(shù)性能上可以比肩國(guó)際同類設(shè)施，不僅對(duì)于研究微重力環(huán)境下的科學(xué)現(xiàn)象具有重要意義，而且對(duì)于推動(dòng)我國(guó)微重力科學(xué)及其在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。
北京落塔于2003年建成，是我國(guó)自行研制的亞洲最高、世界第三的地基微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。北京落塔地上總高116米，地下8米，主要由實(shí)驗(yàn)艙組件、提升及電磁釋放系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)及輔助設(shè)施組成，是目前我國(guó)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的地基微重力科學(xué)研究自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)施。對(duì)比國(guó)內(nèi)外同類落塔實(shí)驗(yàn)設(shè)施，北京落塔具有運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本低、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、回收過(guò)載小、實(shí)驗(yàn)快捷方便、地面檢測(cè)系統(tǒng)完善等鮮明的技術(shù)特色。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)艙在落塔通道自由下落時(shí)，實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)即可獲得微重力環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)艙下落過(guò)程中，重力提供了向下的加速度，艙內(nèi)的設(shè)備不再受到外力的影響——處于一種“失重”的飄浮狀態(tài)。但實(shí)際上由于存在空氣阻力、設(shè)備振動(dòng)等因素的影響，總會(huì)有一些微小的干擾力——微重力存在。
實(shí)驗(yàn)艙是落塔實(shí)驗(yàn)設(shè)施中搭載試件的專用設(shè)備。北京落塔的實(shí)驗(yàn)艙有兩種艙型——單艙和雙艙，微重力時(shí)間均為3.6秒。在短暫而寶貴的時(shí)間里，科學(xué)家們可以開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)，涉及材料科學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域。這些實(shí)驗(yàn)有助于深入探究重力對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)變化以及生命活動(dòng)等方面的影響。
單艙型實(shí)驗(yàn)艙能夠提供的微重力水平量級(jí)為10-3～10-2g，主要應(yīng)用于對(duì)微重力水平要求不是很高但裝置較大的實(shí)驗(yàn)研究。單艙型實(shí)驗(yàn)艙的有效實(shí)驗(yàn)載荷可達(dá)160千克。
為了滿足更高微重力水平的要求，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中減少外界環(huán)境的干擾，北京落塔還采用了雙艙結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是在實(shí)驗(yàn)艙外艙中裝入內(nèi)艙，實(shí)驗(yàn)裝置安裝在內(nèi)艙里，內(nèi)外艙之間抽真空。當(dāng)外艙在空氣中下落時(shí)，內(nèi)艙在外艙提供的真空環(huán)境中下落。這樣，內(nèi)艙的下落過(guò)程就更“自由”了，因而微重力水平也更高。我們利用這種特有的雙艙結(jié)構(gòu)達(dá)到了10-5g的微重力水平量級(jí)，使得許多需要在太空中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以在地面上進(jìn)行初步探索和驗(yàn)證。雙艙型實(shí)驗(yàn)艙的有效實(shí)驗(yàn)載荷為30千克。
測(cè)量控制系統(tǒng)是落塔實(shí)驗(yàn)設(shè)施的重要組成部分，可檢測(cè)并記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程的微重力曲線、顯示微重力狀態(tài)及實(shí)施控制等，可以通過(guò)遙傳圖像、回訊狀態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)需要進(jìn)行干預(yù)，以取得最為滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本保證正式微重力實(shí)驗(yàn)的成功率。
北京落塔可進(jìn)行微重力流體物理、非金屬材料燃燒、空間技術(shù)驗(yàn)證、空間材料科學(xué)、空間生物技術(shù)、微重力液體管理、沸騰傳熱以及固體微細(xì)顆粒流型等實(shí)驗(yàn)研究，為航天飛行器載荷搭載實(shí)驗(yàn)及空間防火技術(shù)預(yù)研提供便利的實(shí)驗(yàn)手段。在落塔開(kāi)展的某些高精度微重力傳感儀器的研制實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果對(duì)空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。
建成至今，北京落塔已運(yùn)行20多年，承擔(dān)了國(guó)內(nèi)絕大部分地基微重力實(shí)驗(yàn)任務(wù)，累計(jì)完成微重力實(shí)驗(yàn)1000多次，依據(jù)落塔實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表相關(guān)論文200多篇，在微重力科學(xué)基礎(chǔ)研究和支撐國(guó)家重大項(xiàng)目建設(shè)等方面發(fā)揮了積極作用。北京落塔是我國(guó)研究載人航天、微重力科學(xué)諸多學(xué)科的科學(xué)家們進(jìn)行微重力實(shí)驗(yàn)研究不可或缺的平臺(tái)，同時(shí)也可作為開(kāi)展微重力科普教育、提高全民科學(xué)素養(yǎng)的科普基地。
北京落塔服務(wù)的重大科研實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括“實(shí)踐十號(hào)”返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的流體、燃燒、沸騰傳熱等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)中的液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)，“太極一號(hào)”任務(wù)中的加速度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船任務(wù)中的冷凝蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙流體物理實(shí)驗(yàn)柜和兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜的地面預(yù)研實(shí)驗(yàn)，天問(wèn)二號(hào)小行星探測(cè)任務(wù)中的機(jī)械臂采樣和小行星星壤力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)等，保證了空間任務(wù)的順利實(shí)施和圓滿成功。
為滿足不同的科研需求，北京落塔也不斷開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，先后擴(kuò)展性研發(fā)了變重力雙艙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和低重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既能提供多種微重力水平模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，又能模擬月球和火星等表面的低重力環(huán)境。這樣，結(jié)合地面常重力對(duì)比實(shí)驗(yàn)，北京落塔可以提供涵蓋10-5g～1g范圍寬域重力條件的模擬實(shí)驗(yàn)范圍，能夠更好地支撐我國(guó)微重力實(shí)驗(yàn)研究和空間新技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證等。
今后，我們將堅(jiān)持“四個(gè)面向”，繼續(xù)拓展與相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的合作，積極探索，不斷優(yōu)化設(shè)備和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，努力把北京落塔建設(shè)成為微重力科學(xué)研究及航天科技服務(wù)的重要基地。■
（作者單位：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所）
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2024年10月刊 科普)