為什么在空間站做實(shí)驗(yàn)？世界航天大國為什么競相發(fā)展空間站？它能為人類提供什么樣的特殊條件，來支持開展各方面研究和實(shí)驗(yàn)？這與空間站的特點(diǎn)密切相關(guān)：

首先，它能提供長期的微重力等特殊研究環(huán)境。

?

什么是微重力？

我們在地球之上300-400千米的軌道上，相對于6千余千米的地球半徑，在空間站的軌道高度上重力并沒有消失，為什么會(huì)出現(xiàn)微重力的現(xiàn)象？

如上圖所示，航天器在做近8千米/秒的高速運(yùn)動(dòng)，按照牛頓第一定律，航天器應(yīng)該是保持遠(yuǎn)離地球的勻速直線運(yùn)動(dòng)，而由于地球引力的作用，使航天器繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)，航天器所受的重力提供了航天器繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力。這兩個(gè)力基本相等，使得在航天器上感受到的只有殘余的重力，稱為微重力。

在地球上，生命體和物質(zhì)受到重力的作用，某些本質(zhì)規(guī)律會(huì)被掩蓋，在微重力條件下我們有希望發(fā)現(xiàn)被重力掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律。在微重力條件下，會(huì)產(chǎn)生如下物理效應(yīng)：

第一個(gè)微重力效應(yīng)是浮力對流極大的減小。

如下圖所示，在微重力條件下加熱物體時(shí)，比如水或空氣，浮力對流消失后熱交換基本停止，加熱的水或空氣可能停留在容器底部，只有通過擴(kuò)散或表面張力引起的對流來發(fā)揮加熱的作用。

第二個(gè)微重力效應(yīng)是沉淀和分層現(xiàn)象基本消失。

當(dāng)把鐵塊等密度大的物體放入密度小的水中時(shí)，如下方左圖在重力條件下物體將下沉，而如下方右圖在微重力條件下物體則不會(huì)下沉。

王亞平老師在太空授課中曾經(jīng)演示了兵乓球在水中可以停留，就說明了沉淀消失的現(xiàn)象。同理，在地面重力條件下將油倒入水中，會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而在太空微重力條件下，油和水將混合在一起，無法實(shí)現(xiàn)分層。

第三個(gè)微重力效應(yīng)是壓力梯度極大的減小。

在地面重力條件下，隨著位于水下的深度越深，物體受到的水壓越大，而在太空微重力條件下，物體受到的水壓不隨水的深度變化。以生活中的例子說明，當(dāng)我們潛水時(shí)越往下會(huì)感覺胸部受到的壓力越大，會(huì)漸漸喘不上氣，而在太空微重力條件下不同深度的位置水壓是基本不變的，不同水深的壓力差消失了。

第二，載人空間站有人的參與，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)?zāi)K更換和維修維護(hù)。

著名的哈勃望遠(yuǎn)鏡在軌工作了30余年，期間經(jīng)過了5次維修。航天員乘航天飛機(jī)對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修，下圖為哈勃望遠(yuǎn)鏡第4次維修前后觀測到的宇宙圖像。正是由于航天員的參與，才使哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠工作這么長的時(shí)間，取得眾多國際矚目的科學(xué)成果。

第三，載人空間站可以進(jìn)行天地往返運(yùn)輸，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)K更換及實(shí)驗(yàn)樣品返回。

在軌開展的生命、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)，有必要將實(shí)驗(yàn)后的樣品返回，回到地面做進(jìn)一步研究，如生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品回到地面進(jìn)行基因測序和后續(xù)的研究、材料樣品進(jìn)行剖分并開展X射線衍射研究等。我們可以通過載人飛船將空間站實(shí)驗(yàn)樣品返回，進(jìn)行后續(xù)的深入研究。

第四，在空間站特定的軌道高度，便于進(jìn)行天文、地球觀測和空間物理研究。

以天文觀測為例，由于大氣的吸收和干擾，宇宙中的伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線和超長波等無法在地面有效觀測到，相關(guān)譜段的天文觀測需要發(fā)射觀測儀到太空中開展觀測。

對于地球觀測，空間站在一定的軌道傾角下繞地球高速運(yùn)動(dòng)，而地球同時(shí)在進(jìn)行自轉(zhuǎn)，這樣在空間站可以快速地對地球進(jìn)行遍歷觀測，每3天即可覆蓋陸地的90%左右，能夠?qū)Φ厍蜻M(jìn)行宏觀層面的研究，并快速對災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

來源：中國載人航天微信公眾號

文/中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 張偉