模拟太空，“地面空间站”能做啥？

近日，我国空间环境地面模拟装置正式通过国家验收。它被形象地比喻为“地面空间站”，是我国航天领域首个大科学装置。纵观国内外航天模拟设施，它们可以模拟哪些空间环境因素？又应用了哪些先进技术和特殊设计？随着新技术新方案取得进展，它们将具备怎样的应用前景呢？

人造真空用处大

据公开资料显示，我国的“地面空间站”能够综合模拟真空、高低温、带电粒子、电磁辐射、空间粉尘、等离子体、弱磁场、中性气体、微重力等九大类空间环境因素。其中，真空模拟有助于航天科研活动更加高效便捷地开展。

美国航天器在模拟舱室内测试

描述太空环境往往使用真空度指标，也就是处于真空状态下的气体稀薄程度。在近地空间内，高度越高，真空度越显著：距离地面100公里处，真空度为4×10-2帕；距离地面300公里处，真空度为4×10-5帕；距离3000公里时，真空度可达4×10-11帕。而航天器的运行轨道真空度范围一般在10-4～10-12帕之间。

大多数“地面空间站”都配备了真空舱室，工程上一般用10-3帕的真空度来模拟空间环境。这种真空度下，辐射传热已是空间传热的主要形式，对流与气体热传导可以忽略，能够较为真实地模拟航天器所处环境的热交换效应。

目前，全球最大的真空舱室SPF位于美国宇航局格伦研究中心。它的外部总高约37米，直径30米，仅是双重密封大门的高和宽就分别有15米，可吞吐重达300吨的设备，足以塞进一艘组装完毕的飞船。借助鼓风机和转子活塞真空泵，其测试室内的真空度达到5×10-4帕，数十年来支持了一系列航天器研制。比如，2013年SpaceX公司曾利用SPF进行全尺寸火箭整流罩分离测试。

如果真空舱室容积稍小，有望达到更显著的真空度。我国的KM7大型空间环境模拟器于2009年研制成功，有效试验空间是一个直径8.5米、深9米的“卧倒圆柱”。它的极限压低于6.5×10-5帕，曾在卫星真空热试验中做出很大贡献。

不怕冷黑和热流

其实，宇宙空间是一个“冷黑空间”，航天器运行中散发的热量一般被充分吸收，不再返回。在“地面空间站”中，通常设置铝、铜或不锈钢制成的管板结构，内通低温液氮，模拟“冷”环境，液氮管板表面涂覆特殊黑漆，模拟“黑”环境，从而吸收航天器的绝大部分辐射热量。这种模拟“冷黑空间”的结构也称为热沉，模拟误差仅为1%左右。

“地面空间站”开展模拟热真空试验

航天器在轨飞行过程中，由于没有大气层保护，舱体表面处于阳照阴影交变状态。在阳光直射下，空间站表面温度可达150摄氏度以上，在背阳面则有可能低于零下100摄氏度。

为了尽可能真实地模拟航天器工作环境，“地面空间站”通常都安装了“人造太阳”，也就是一个高温辐射体，通过太阳模拟器或红外模拟器来模拟空间外热流环境。前者适合外形和表面材料形状复杂的试件，后者则适合表面材料形状单一的试件。

由于“冷黑环境”对航天器和舱外航天服的热性能影响极大，科研人员必须在模拟环境中进行充分的真空热试验。比如，我国KM8“地面空间站”对梦天试验舱进行过考核，就是借助红外加热笼来模拟空间外热流，将电阻片作为辐射源，通过控制电流来改变电阻片温度，进而实现其内部环境温度交替变化。

新 品 上 架

中国空间站3D文具盒

如今，航天器的真空热试验已发展得比较成熟。早年间，我国第一颗人造卫星“东方红一号”就是在KM2空间环境模拟器内完成了整星真空热试验。后来，KM6大型空间模拟器圆满完成了神舟一号至神舟六号载人飞船、嫦娥一号月球探测器等真空热试验任务。美国宇航局空间环境模拟实验室则完成了“阿波罗计划”诸多航天器和航天服、“天空实验室”配套望远镜系统、航天飞机及众多卫星的真空热试验。

综合模拟当先锋

随着月球探测、火星探测等宏伟任务提出，航天器面临着更严峻的环境考验，包括原子氧、空间粉尘、辐照、磁场变化等。“地面空间站”可以帮助航天器“提前”接受考验，顺便进行一些前沿探索性质的科学实验。

我国“地面空间站”中的月尘舱

鲜为人知的是，从地球上发射的航天器会存在一定的“剩磁”现象，与地磁场相互作用，进而干扰航天器的轨道和姿态，某些科学探测卫星的“剩磁”还会对星载探测仪器产生不利影响。因此，科研人员有必要开展磁试验，在零磁场环境中测量航天器的“剩磁”指标，并通过各种手段尽可能降低其干扰效果。

“地面空间站”一般借助线圈电流产生与地磁场强度相等、方向相反的均匀磁场，两者相互抵消，就可以获得零磁场环境。我国新建成的空间环境地面模拟装置拥有3个足球场那么大的磁场环境模拟实验室，由射频屏蔽层、主动补偿线圈组和7层电磁屏蔽层构成了类似套娃的结构，内部可实现0.2纳特以下的零磁场环境。

空间辐照也是“地面空间站”的重要模拟因素，包括宇宙射线、地球辐射带、太阳粒子事件等。随着航天器敏感表面增多、微电子线路集成度提高，对空间粒子辐照环境也越来越敏感。

一般来说，“地面空间站”可以利用高能粒子产生模拟辐照源。比如，欧洲空间技术研究中心的空间低能综合辐照试验设备利用电子撞击高原子序数材料（如钨、铜等），产生X射线，进而模拟空间带电粒子的电离辐射效应。

此外，有些“地面空间站”能够同时模拟多个空间环境因素，实现“一举多得”。以我国空间环境地面模拟装置的月尘舱为例，它属于大型月球多因素极端环境模拟器，能够实现动态月尘充正电和负电。月尘舱内有较大的真空舱，其外侧连接电子枪，可以产生电子束，使月尘带上负电；正面蜂窝状布置了36盏氘灯，用于产生紫外线，使月尘带上较低电压的正电。通过振动筛动作，科研人员能够逼真地模拟月球表面扬尘现象，助力研制月面探测设备。

微重力未雨绸缪

太空失重环境对航天员而言是巨大的挑战，有必要未雨绸缪，早做准备。除了借助飞机抛物线飞行来获得短暂的微重力体验外，科研人员和航天员可以利用“地面空间站”的落塔、水浮等方法，形成人造微重力环境。

所谓落塔法，就是建造高塔，利用自由落体原理来模拟微重力，但实验对象的尺寸有一定限制。水浮法则是利用水的浮力来抵消空间飞行器的重力，通过调整漂浮器承受的浮力，使试验目标的向上水浮力与向下重力实现平衡，进而模拟微重力环境开展研究。

国外航天员在中性浮力水槽内训练

航天员可以在微重力的“地面空间站”内部体验近似失重的漂浮感，掌握在失重环境中穿戴航天服时的人体运动协调性，还能模拟完成出舱维修、运送货物等任务。

此外，“地面空间站”还能进行一些大型空间结构对接和组装试验，帮助大型机构在微重力环境下开展测试，保障空间结构和组装程序的安全可靠性。比如，航天员可以借助中性浮力模拟试验装置，开展太阳电池帆板展开试验，并针对航天器飞行期间可能发生的意外，制定相应的故障排除程序等。

总之，“地面空间站”相当于将空间站和太空实验室的很多功能“搬”到地面上，以便完成许多昔日人类抵达太空才能进行的实验。依靠它，科学家开展空间实验将不再“难于登天”，航天员可以在这里“提前”体验和适应月球、火星等复杂陌生的环境，从而助力太空探索迈上新台阶，未来还将在脑科学、生命健康、高端仪器、辐照育种等领域收获重要成果。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》

来源/中国航天报

本文转载自公众号：中国航天科普

内容来源：中国航天报

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