拿捏重力？解密变重力科学实验柜

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问天实验舱的成功发射，并与天和核心舱成功对接，为天宫空间站送来了许多科学实验柜，以开展太空实验，进而解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。在这些实验柜中，变重力科学实验柜主要为科学实验提供0.01g-2g（零重力到两倍重力范围）高精度模拟的重力环境，用以研究不同重力环境下的物理、化学和生命科学现象。

变重力科学实验柜示意图

变重力研究有什么重要意义？这一实验柜是如何实现改变重力的呢？请任务组的相关专家来为大家讲解吧。

为什么要进行变重力研究？

在地球表面的物体都会受到重力的作用，苹果就是被重力拉扯而砸到牛顿的脑袋上的。重力有时很有用，但有时也会造成科学家的困扰。

例如，有这样一个科学问题：为什么我们无论以什么朝向播种种子，种子的根都会向下长，而茎都会向上长呢？经过研究，科学家认为根系的生长表现出向重力性，也就是根系中的一些生理过程能够诱导根系向着重力的方向生长。那么，如何验证这个假设呢？要是能够找一个没有重力的地方试着种一下植物就好了，可是地球上是没有这种地方的。虽然科学家做了一些能够在地面上模拟微重力的实验装置，但是想要长期观察植物在绝对无重力的环境下生长，太空中的空间站就成了最佳实验地点。

图片来源：NASA

再比如，我们要研发一款适合在月球上种菜的作物栽培装置，为了测试该装置是否有效，必须模拟出月球的重力，这大概是地球重力的六分之一。地面上的重力模拟总是会受到地球重力的干扰，不但费时费力，持续时间还很短，不适合开展长期的观察实验。而在太空的零重力环境下，我们可以相对容易而持久地创造不同重力大小的环境，模拟出月球、火星等等一系列的不同重力，为登月乃至登陆火星等探索计划提供试验条件。

因此，变重力实验柜作为一个公共实验平台，可以服务于多种科学项目，允许生物、流体、燃烧等各领域的科学家去研究重力影响的科学机制，为重力相关的研究提供外部平台环境。

如何实现变重力？原来是靠离心机啊

在围绕地球运转的空间站中，物体处于失重状态，这就是我们常说的太空零重力。在这个基础上，如何才能向物体施加可变的重力呢？

变重力实验柜的主要装置，是两套900毫米直径的离心机。

离心机旋转的过程中，因为惯性作用，实验载荷会有一个向外飞出的趋势，可以等效为物体受到一个沿着旋转半径向外的离心力。只要维持旋转，这个等效力就会一直存在，我们就用这个力来模拟物体受到的重力。这一“模拟重力”的大小与离心机的转速有关，因此只要控制转速，就可以实现变重力啦。

变重力实验柜所配备的接口，能够让多种多样的实验参与进来，充分体现了模块化设计的理念。无论是生物类、流体类的实验，甚至是燃烧类的科学项目，只要按照标准接口设计实验装置，就能够实现太空中的“即插即用”。

变重力实验柜都有哪些“黑科技”？

与同类变重力装置相比，本次发射搭载的变重力实验柜的离心机是目前在轨运行中最大的，这意味着可以同时容纳更多、更大的实验对象来参与实验，可以大规模地进行重力相关的研究课题了。

但是，想要维持一个更大的离心机的运转，不是简单地把一切都相应地做大就可以了。首先，我们要考虑到这个离心机的运转时间可能非常长，例如植物生长需要几个月的时间，中途必须一直维持离心机的稳定运转才可以持续模拟重力。这样一来，机器就需要想办法尽量减少磨损。

因此，实验柜的黑科技之一，就是无线传能系统。传统的离心机是采用导电滑环的方式来传递能量的，有物理接触，因此就有磨损。实验柜的设计寿命达十年以上，如果让几个部件在一起转着磨十年，铁杵磨成针的故事就不再是传说了。采用新的无线传能工作方式后，就可以把这种机械磨损降到忽略不计了。

无线传能结构及能量流图

有的小伙伴可能要问了：我的手机就能无线充电啊，这有什么先进的呢？的确，目前无线充电技术已经十分普及，但是大部分无线充电技术的额定功率仅有数十瓦。但我们的变重力实验柜中所应用的无线传能技术，其功率可以轻松达到300瓦以上，能量转换效率也超过80%。如此高的功率带来的最大问题就是散热，为此，实验柜专门配备了一套热控系统，将单纯的纯液冷散热升级为风冷加液冷的二级散热模式，并增加了第三级的半导体制冷，给风进一步降温。

除此之外，变重力实验柜还实现了在轨自动平衡技术。物体在旋转时，如果重心没有落在转轴上，就会出现偏心运动的现象。偏心不但会使摩擦加剧，严重时还会有毁坏离心机的危险。就像汽车轮胎补胎之后，都要把轮胎放在一个设备上，让轮胎高速旋转，测出其重心和转轴的偏差，然后采用配重的方式重新使其平衡。

实验柜在装载实验载荷时，各载荷的质量不可能相同，放置位置也不一定对称，整盘的质心就会偏离中心，另外实验载荷里的样品在实验过程中可能发生形态的变化，例如，植物逐渐长大，也会使离心机变得不再平衡。因此，必须能够及时调整离心机的配重，使其重新回到平衡状态。在轨自动平衡技术，就是能够让离心机自行监测自己的平衡参数，自动调节自身的配平块，不需要人工调节，也不需要停机，随时随地保证离心机的平衡状态，从而减少不必要的摩擦损耗，提高重力控制的精度。

在轨自动平衡调节演示

此外，变重力实验柜还搭载了复杂约束下离心机一体化、模块化设计技术，主要是基于中心驱动的大型旋转机构高刚度、高精度的传动、传能、测控一体化设计技术以及实验载荷模块的在轨快拆机构设计，保证航天员在轨操作的便利可靠。无论是生物类、流体类的实验，甚至是燃烧类的科学项目，只要按照标准接口设计实验装置，只需要航天员拿着实验单元进行简单操作，载荷的装载就完成了，真正实现了即插即用。

标准载荷快拆机构

结语

从古时起，人类就憧憬着冯虚御风的超自然能力，而本次问天实验舱所搭载的变重力实验柜，不但能够克服重力，而且能够实现最多两倍重力，相比之下，真可谓是不知道高到哪里去啦。而这一变重力实验柜的实现，离不开多项新技术的突破。感谢奋战在一线的科研团队的付出，让我们把古人脑海中的幻想变为美丽的现实。

（本文图片除注明来源者之外，均由撰稿人提供）

撰稿：周妍林（中国科学院空间应用工程与技术中心） 李响（中国科学院空间应用工程与技术中心） 牟福朋

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来源：科学大院

编辑：牧鱼

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