微重力

微重力又称零重力，微重力的值通常为地面重力的万分之一，10-4g。航天器在太空中飞行时，航天器及其内部的物体失去重量只是一种理想状况。实际上，航天器还会受到微小空气阻力作用，航天器内的物体并不都在航天器质心位置，有时航天器会旋转或发动机工作会产生推力，在这些情况下，航天器及其内部的物体表现出有微小的重量或者产生微小的加速度，好像受到了微小重力的作用，这种作用力称为“微重力”。微重力是来自太空的礼物。人类可以借此实现地面上难以进行的科学实验或新材料生产。

1、定义简介

微重力是指重力或其它的外力引起的，加速度不超过10e-5～10e-4g。太空环境就是微重力环境。

2、相关现象

由于太空和地球表面环境有很大的不同，地球表面为1G重力环境，而太空处于真空状态。在太空生活与工作的航天员，由于要长期处于这种微重力环境，吃、穿、住、行等都要适应这种状态。

航天员在微重力环境中，会有完全不同于地面的感觉。由于缺乏重力，航天员最先感觉到的就是身体是飘浮的。飞船舱内的东西，如果不用带子固定，都要飘着。航天员要想行走，只能用双手推拉舱壁来帮助身体移动。若是在舱外，则需要用特制的出舱活动装置来帮助航天员“走动”。

在缺乏重力的情况下，人身体上所有与重力有关的感受器都发生了变化。四肢已感觉不到重量，人体感觉不到头部的活动。这种异常的感觉使航天员造成定向错觉，当用手推拉航天器舱壁时，感觉不到自己是前后运动，而是会认为航天器在前后运动，自己是静止不动的。在微重力环境下，航天员们个个‘武功’大增，他们可以轻松地做许多在地面很难完成甚至不可能完成的动作。如用一个指头拿大鼎、随意做各种翻滚动作等。

微重力环境会对航天员体内器官造成影响。航天员一旦进入微重力状态，由于缺乏重力的向下吸引，全身体液会向上半身和头部转移，出现颈部静脉鼓胀，脸变得虚胖，鼻腔和鼻窦充血，鼻子不通气。而体液的转移会使航天员出现血浆容积减少，血液浓缩，导致贫血。

微重力环境对于人体的肌肉、骨骼也有一定的影响。目前世界各国已进行了大量的研究，并采取了一定的防护措施，经过多次试验，有些已取得明显的效果，但有的病症目前还不能有效解决。需要进一步地去探索和研究。

3、相关试验

利用航天器内部的微重力环境条件进行的各类试验叫做“空间微重力试验”。开展空间微重力试验，既能深入认识一些重要的科学现象，做出有关的科学发现，又能通过这些试验探索新产品、新材料的加工生产方法，将产生巨大的科技、经济与社会效益。

试验1火焰变矮

微重力能够产生更圆的温度更低的火焰。在左边的这张对照图中，正常重力条件下产生的火焰和微重力环境下的火焰之间的区别可谓一目了然。

与地球上不同的是，微重力条件下的低密度热气体不会上升。其结果是，粒子从高温区向低温区扩散等其他过程占据了支配地位。在太空研究燃烧进一步揭示了有关这种现象的基本物理学原理，进而帮助研发用于未来太空探索任务的灭火技术。

试验2水流旋转

在失重情况下，表面张力成为流体物理学的统治者。在这张在空间站拍摄的照片中，从金属环内钻出的水好像被一个看不见的勺子搅动。

这种搅动效应是用一种光对水进行不均衡加热导致的。温度差异致使表面张力失衡，最终让水发生旋转。类似这样由表面张力触发的移动被称之为“马兰哥尼对流”，在地球上极为不明显，但还是可以在钢水冷却等环境下观察到。

试验3晶体长个

在微重力环境下，晶体的体积变得更大。晶体在微重力条件下“长个”的原因在于：在液体中生长的晶体以溶解的物质为食，致使液体密度降低。

在地球上，低密度液体向上移动，在试验器皿内形成对流，对流产生裂缝并限制晶体体积。但在微重力条件下，这种效应并不存在。形成更大更纯净的晶体能够帮助科学家进一步了解晶体基本结构和特性。沸石上面布满微孔，可用于过滤和储存物质，例如用于未来燃料电池的氢。

试验4抛回旋镖

微重力环境下的各种演示让宇航员和地球上的普通大众分享兴奋之情，同时向人们展示物体的特性。2008年，日本宇航员土井隆雄上演了抛回旋镖一幕，验证回旋镖能否飞回自己手中。令人感到惊讶的是，他最终做到了。弯曲的回旋镖之所以能够沿环形线路飞行是由穿过空气时受力不均衡导致，而不是受重力影响。

试验5太空焊接

在国际空间站上进行的试验计划中有一项太空焊接研究，专门研究在失重条件下的重要焊接过程。

美国宇航员迈克尔·芬克进行了焊接试验，他手握烙铁在焊接导线，导线末端是带有焊滴的焊条环。焊条中含有铅、锡和松香，在焊滴受到烙铁加热时焊滴会完全像在地球上一样熔化，但是松香滴的性能却不相同。芬克发现，在温度升高时松香滴会开始在不同平面上焊滴的周围旋转，旋转速度会随着温度的升高而加快。

试验6液体沸腾

液体沸腾是地球上司空见惯的现象，但它却是一个十分复杂的物理过程。当装有液体的容器被加热后，浮力使气泡急速上升，因此产生剧烈的“沸腾”。那么太空中的沸腾又是怎样的呢？

一个由密歇根大学和美国国家航空航天局的研究人员组成的科学家小组决定弄清这些问题。从1992到l996年，在航天飞机所进行的5次飞行使命中，他们使用液体氟里昂进行了一系列的沸腾实验。实验中，他们发现了液体在地球与太空轨道上沸腾时所发生的一些令人迷惑的不同之处。例如在太空中，液体在无重力条件下沸腾时不是产生上万的升腾的小气泡，而是产生了一个在液体中起伏的巨大的气泡，且不断吞并其他的小气泡。

科学家研究沸腾问题的热情绝不仅是出于简单的好奇。因为一旦了解了液体在太空中是怎样沸腾的，科学家就可以制造出更有效的太空舱制冷系统。太空中的沸腾知识也将在某一天被用来制造太空站上的发电站。

陶瓷材料立体光刻成形技术试验

记者从中国科学院获悉，该院空间应用工程与技术中心科研人员2018年6月13日在瑞士杜本多夫，利用欧洲失重飞机成功完成了微重力环境下陶瓷材料立体光刻成形技术试验，这在国际上是首次，同时完成我国首次金属材料微重力环境下铸造技术试验，试验验证了多项微重力环境下高精度制造前沿技术和新型材料，获得多件完好的陶瓷和金属制造样品及丰富的实验数据。

此次试验于2018年6月12日开始，截至6月13日下午，共进行了28次微重力、2次月球重力和2次火星重力飞行，搭载的两套装置分别对陶瓷材料和金属材料进行了预先计划的制造任务，共获得10件陶瓷样品和8件金属样品。

4、中国卫星

2016年4月6日凌晨1时38分，中国首颗微重力科学实验卫星——实践十号返回式科学实验卫星发射升空。实践十号是中国“空间科学先导专项”第一批科学实验卫星中唯一的“返回式卫星”。

这颗卫星主要的科学目标是利用太空中微重力等特殊环境，开展涉及微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、重力生物效应、空间生物技术6大领域的19项科学实验，研究在微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律。该卫星总设计寿命15天，利用返回式卫星技术按预定程序返回地球。

2016年4月18日，微重力科学实验卫星“实践十号”的回收舱成功回收，从太空满载而归。

收获1：各项在轨实验数据理想

在轨运行期间，实践十号卫星利用太空中微重力等特殊环境，开展了19项空间科学实验，主要研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下物质运动及生命活动的规律，这些实验进展如何？

在轨段12天，19项科学实验按照既定在轨实验实施细则有序开展，遥测、数传数据完整。卫星下传的科学实验数据主要包括视频、图像以及科学实验参数，同时也得到了与科学实验相关的卫星参数，如卫星留轨舱和返回舱的3轴统计微重力水平、卫星舱内温度等。

实践十号卫星科学应用系统副总工程师、中科院动物研究所研究员段恩奎接受记者采访时说，依据对卫星下传数据中已获得的空间实验结果初步分析，实践十号返回式微重力卫星科学实验进展顺利，总体达到了预期的科学实验要求，取得了预期的科学实验结果，“一些新实验现象已超越国际上对微重力环境下其结果的预言”。

此外，有10个项目的科学家依据对卫星下传的科学实验结果的及时处理、分析和判断，提出了优化调整需求，通过与技术、工程团队的通力合作，利用预案变更途径和应急注入等手段，对其后期在轨科学实验进行了多次优化与调整，改变了空间实验参数，获得了更为理想的实验结果。

收获2：首次实现哺乳动物胚胎在太空发育

在卫星回家之前，我国科学家已通过实践十号卫星下传的实验图像看到一项重大科研成果。

“我们在全球首次实现了哺乳动物胚胎在太空的发育。”卫星中搭载的胚胎培养箱负责人段恩奎非常高兴地告诉记者，团队在全球第一次于地面上得到了小鼠胚胎在太空发育的清晰照片。

实验团队的“微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究”项目，携带着数千枚2细胞小鼠早期胚胎，于4月6日搭乘实践十号卫星升空。卫星上天十几小时后，从发回的照片上，研究人员发现小鼠细胞开始分裂发育，从2细胞到4细胞、8细胞、16细胞……到60小时后，有些小鼠细胞已发育成囊胚。

哺乳动物在太空环境中能否正常繁衍是科学家们一直探索的前沿课题，这关系着人类未来能否进行长期太空旅行，在太空中繁衍生息。

段恩奎介绍说，太空中的动物繁衍实验，此前只做成过果蝇、金鳉鱼等非哺乳类动物，但哺乳动物胚胎在太空发育的研究，一直未获成功。1996年，美国NASA在哥伦比亚号航天飞机上曾搭载了49枚小鼠2细胞和8细胞胚胎，但等卫星回收后再观察，这些胚胎没有一个发育。2006年，中国的实践八号卫星在完成主要任务航天育种实验的同时，顺带加上了段恩奎参与的小鼠胚胎发育实验。这次实验让我国建立起一套太空胚胎成像系统，照片顺利传回地面，但没有看到小鼠胚胎细胞在太空中的发育。

为了本次搭载实验，研究人员历经10年，用了几万枚胚胎做了上百次的实验，研制出一套适合胚胎在太空发育的密闭培养系统。技术人员也提供了更优良的条件，中科院上海技术物理所的张涛等人将设备齐全的“实验室”浓缩成一个17公斤重、仅有家用微波炉大小的培养箱。卫星发射流程也进行了优化，小鼠的2细胞胚胎样品是在卫星发射前8小时安装进去的，最大程度保障了实验不受地面因素干扰。

收获3：大批重要成果

实践十号卫星有两个舱：回收舱和留轨舱。回收舱返回后，卫星留轨舱继续在轨工作。目前留轨舱全部8个项目的空间实验计划已排定。煤燃烧实验按照预定的方案主要在留轨段完成；其他实验项目各有1~2次的空间实验机会，完成预定的科学实验以及开展部分拓展实验。卫星留轨段让我们有机会开展危险性、拓展性的科学实验，它将是对前期在轨段实验的有益补充。期间，科学实验结果仍通过卫星原遥测、数传发射机下传。

而搭载实践十号卫星回收舱返回地球的科学样品涉及11项空间科学实验，其中2项为微重力科学实验，剩余9项为空间生命科学实验，涉及领域包括：微重力流体物理、空间材料科学、空间辐射生物学效应、重力生物学效应、空间生物技术等。

无论是回收舱还是留轨舱，这19项实验将有不少后续处理和研究分析工作，它们将带来一大波具有自主知识产权的重大创新科技成果，帮助科学家们突破生物技术、高新材料和生命科学等领域的难题。