一、如何模擬微重力環境
1. 微重力落塔
微重力落塔是建造幾十米甚至上百米高的建築，在中間留出自由下落物體的空間，通常以圓塔的形式來實現。由於空氣阻力會改變物體自由下落的速度，對微重力水平要求較高的實驗，需要在塔的中間再建設一個真空的垂直管道，使實驗裝置在沒有空氣阻力的條件下下落。由於人工建築高度的限制，這種落塔通常只能獲得幾秒鐘的微重力時間。更復雜的設計有，由落井和落塔兩種建築形式配合，以延長微重力時間。還有就是增加上拋機構，將實驗裝置從塔的底部加速上拋，加速停止後，裝置就進入了微重力狀態，並繼續向上運動一段時間到達塔的頂點後再下落，這樣可以將僅僅採用下落的方式獲得的微重力時間增加近1倍。但是由於對上拋機構的精確度要求很高，需要確保實驗裝置在真空管內的垂直度，不能碰到管壁。此外，上拋時加速度很大，在裝置進入微重力時間前，過載可能會破壞試驗樣品。國際上目前真正實現了上拋加下落的落塔只有位於德國不來梅的微重力實驗室（Center of Applied Space Technology and Microgravity，ZARM）。
微重力落塔
2. 微重力飛機
微重力飛機指的是飛機在飛行時，飛行員模擬自由落體的拋物線進行飛行，如圖所示，在下落的過程中，飛機內部的所有裝置都進入微重力狀態。飛機到達最低點後再拉昇起來，達到頂點後再次沿拋物線下落飛行，又一次進入微重力環境。這樣的飛行在一次任務中可以進行多次。但是由於飛機拉昇時，是超重力環境，對實驗樣品也有一定程度的擾動。由於飛機飛行的最高高度只有1萬m左右，在一次拋物線飛行中，只能實現大約30s的微重力時間。這還需要飛行員具有很高的飛行水平。
拋物線飛機
3. 微重力氣球和微重力火箭
這兩種模擬方法都是將實驗裝置攜帶至幾十千米（高空氣球）到幾百千米（探空火箭）的高度，然後將實驗裝置拋出，讓其自由下落。但是由於下落到30km高度以後，大氣密度逐漸增加，產生的阻力破壞了微重力環境，實驗只能在進入30km高度之前完成。由於高空氣球的飛行高度最高也只有40～50km，用高空氣球的方式開展微重力實驗，獲得的微重力時間並沒有提升多少。採用探空火箭開展微重力實驗，則可以獲得數分鐘到十數分鐘的高質量的微重力時間。但是，探空火箭的成本較高。ESA和NASA每年利用探空火箭進行微重力和生命科學實驗的次數都在一到兩位數規模以內。利用探空火箭進行微重力和生命科學實驗，均需要將樣品回收，因此要同時考慮樣品的回收技術。世界上絕大部分的探空火箭發射場都在陸地上的無人地帶，通過降落傘回收樣品。樣品著陸後有精確的定位信息，可通過直升機或越野車儘快獲得回收的樣品。極少數的探空火箭實驗場利用海上回收的方式，如挪威的實驗場。
高空氣球
4. 返回式微重力實驗衛星
在地球軌道上運行的人造衛星做圓周運動時的離心力如果與地球引力相等，衛星將在軌道上持續運行而不會掉下來。在地球的引力場條件下，這樣的軌道速度稱為“第一宇宙速度”。根據軌道的高度不同，速度為 7.6～7.8km/s。當衛星達到這樣的軌道速度以後，由於離心力抵消了地球引力，在人造衛星上將出現模擬的微重力環境。雖然並非真正的微重力環境，但這個模擬環境存在的時間與人造衛星的軌道壽命一樣長，是以周、月、年來計算的。因此，人造衛星是開展長期微重力和生命科學實驗的最佳實驗平臺。同時需要指出的是，樣品回收會帶來額外的技術問題，如回收艙進入大氣層後氣動熱的防護問題、著陸前的開傘問題、開傘後落點不確定的問題，以及著陸後儘快發現和樣品獲取的問題等。相比探空火箭和不要求回收的人造衛星，返回式微重力實驗衛星的成本更高。
5. 載人空間實驗室、空間站
與微重力返回式衛星不同的是，載人任務中的微重力和生命科學實驗增加了人的因素，可以大大提高微重力和生命科學實驗的效率，並應對隨機的實驗現象，因此可以做更高級和更復雜的實驗，但是其成本也大大地提高。因此，為載人空間實驗室和空間站論證適合的、科學目標重大的實驗任務，是微重力和生命科學團隊面對的重要挑戰。
中國未來空間站的藝術概念圖
二、微重力條件下，什麼改變了？
在微重力環境中，液體的表現最突出。水中的氣泡將不再向上飄，而是向各個方向運動。不同液體也不會因為其比重不同而分出明顯的液層。一滴水將會飄在空中，其受到的最重要的作用力是表面張力，而不是重力。
在微重力環境中，熱空氣不再向上運動，因此火焰的火苗不會一直向上躥，在靜止空氣中將呈圓形。
在微重力環境中，植物將失去向上生長的方向感，由於土壤中的水不會向下沉，根系也將失去方向感，向各個方向生長。
細胞本身就是由細胞壁包起來的液體/生命體，遵循液體在微重力環境中的規律。高級生命的骨質將很快出現疏鬆。航天員經過在軌鍛鍊，將在一定程度上減緩骨質流失的速度。
總之，所有和重力相關的物理現象都會消失。表面張力、界面附著力成為主要作用力。
三、生物輻射效應
對生物而言，進入空間後，還有一個特殊的效應就是生物輻射效應。生物的基本單元—脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）受到空間粒子的輻射，將會出現斷裂，引起基因變異。不過需要指出的是，大家熟知的特別大的太空黃瓜、太空西紅柿，並不是經過空間飛行的所有種子的普遍現象，而是經過幾代的篩選，選出個體大的後代培育出來的。
如果輻射可以改變生物種子的基因，那麼，能把種子放到地面上的加速器中進行照射，然後再種植嗎？實驗發現，地面加速器對種子產生的作用與空間並不相同，不能代替在空間飛行後對種子產生的作用。然而，這些現象的基本理論和原理都還沒有研究清楚。
四、基礎物理實驗
在空間還可以開展一些地面上無法實施或者要求精度很高的物理實驗，如等效原理的驗證、玻色-愛因斯坦凝聚實驗、高精度冷原子鐘、量子糾纏的遠距離分發實驗等。這些實驗內容很多，有些並不一定和微重力相關。例如，中國墨子號量子科學實驗衛星（QUantum Experiments at Space Scale，QUESS），即墨子號，在空間開展了大尺度高速量子密鑰分發實驗、量子糾纏分發與量子隱形傳態實驗等。這些實驗和微重力並不相關，但也屬於基礎物理實驗的範疇。
五、重要的前沿問題
1. 複雜流體的對流、擴散、輸運
受到微重力影響後，流體將會改變其運動規律。當流體成分、邊界條件變得複雜時，其在微重力下的運動規律就成為我們研究的目標，如多相液體的分層、擴散和輸運。這些規律有非常廣泛的應用領域，如火箭發動機燃料儲箱裡的剩餘燃料問題、衛星熱管內的液體流動問題、月球表面著陸後的月塵顆粒在1/6g重力下的運動問題、生命細胞中液體的運動問題等。
2. DNA在粒子輻射後的遺傳變異問題
如上所述，DNA雙螺旋結構中的任何一個臂、任何一節，受到粒子輻射後都會發生斷裂。在哪一節、哪一段發生斷裂，是否會自修復，是否會遺傳給後代並造成影響？這些都是未知的重要問題。
此外，更宏觀的方面，如航天員健康問題、太空育種問題，都與粒子輻射密切相關。
3. 達爾文進化論在地球以外是否仍有效？
不言而喻，數學在宇宙中是普適的。1+1=2，無論在哪個地外文明中，都應該是一樣的，儘管其表達方式可能會有所不同。人類迄今掌握的基本物理規律（不包括與重力相關的），目前看來在宇宙中也是普適的。例如，迄今在所有的宇宙觀測中，無論被觀測的星系距離我們多遠，愛因斯坦的廣義相對論都是普適的。
但是，與生命科學相關的基本規律，在地球以外還沒有經過驗證，如達爾文進化論。這主要是因為，除了地球，我們還沒有在太陽系發現其他生命跡象，更不要說在太陽系以外了。為此，把地球生命帶到地球以外的空間中去，如空間站或者月球上，開展長期的基本生命科學規律的研究，也是空間生命科學的前沿。
4. 在地面上如何模擬微重力？
如前所述，落塔、微重力飛機，以及微重力氣球和探空火箭是人類模擬微重力環境的幾個辦法。但是，這些辦法都不能長時間地模擬微重力環境。很多實驗不得不到空間去做，使成本變得很高。在載人空間站做實驗，也會面臨著很多幹擾，如空間站內的各種儀器、風扇等的振動等，甚至衛星上飛輪的轉動都會使得微重力水平降低。目前在微重力衛星上能夠實現的微重力水平為10−3g～10−5g。此外，還涉及使實驗樣品順利返回方面的問題，更增加了實驗的成本。
目前，有兩種不完整的地面模擬方法正在發展，一個是磁懸浮，另一個是生物迴轉器。但是，這兩種方法都不能完整地模擬真實的微重力環境。因此在實驗前，必須仔細分析實驗的目的和需求，考慮是否可採用磁懸浮和生物迴轉器來模擬微重力的環境。
本文摘編自《空間科學概論》（吳季著. 北京：科學出版社，2020.9）一書“第四章 空間科學的重大前沿問題之二”。
ISBN 978-7-03-065760-2
責任編輯：朱萍萍 程雷星
空間科學是以航天器為主要工作平臺，研究行星地球、日地空間、太陽系乃至整個宇宙，回答太陽系乃至整個宇宙的形成與演化、生命的起源與進化、物質結構等重大科學問題的交叉性、綜合性新興科學領域。本書從人類利用航天器探索和進入空間的歷史開始，介紹空間科學各分支領域研究的重大科學前沿問題、開展空間科學研究必備的基礎技術知識、航天器研製過程的基礎管理知識，同時論述了空間科學領域國際合作的必要性，並對中國空間科學的未來發展規劃進行了闡述。
本書可供參與空間科學計劃的科學家、工程師和管理者，科技工作者、高校學生和社會公眾參考，也可作為大專院校相關專業學生的教材和相關課程的參考書。
（本文編輯：劉四旦）
