一、如何模拟微重力环境
1. 微重力落塔
微重力落塔是建造几十米甚至上百米高的建筑，在中间留出自由下落物体的空间，通常以圆塔的形式来实现。由于空气阻力会改变物体自由下落的速度，对微重力水平要求较高的实验，需要在塔的中间再建设一个真空的垂直管道，使实验装置在没有空气阻力的条件下下落。由于人工建筑高度的限制，这种落塔通常只能获得几秒钟的微重力时间。更复杂的设计有，由落井和落塔两种建筑形式配合，以延长微重力时间。还有就是增加上抛机构，将实验装置从塔的底部加速上抛，加速停止后，装置就进入了微重力状态，并继续向上运动一段时间到达塔的顶点后再下落，这样可以将仅仅采用下落的方式获得的微重力时间增加近1倍。但是由于对上抛机构的精确度要求很高，需要确保实验装置在真空管内的垂直度，不能碰到管壁。此外，上抛时加速度很大，在装置进入微重力时间前，过载可能会破坏试验样品。国际上目前真正实现了上抛加下落的落塔只有位于德国不来梅的微重力实验室（Center of Applied Space Technology and Microgravity，ZARM）。
微重力落塔
2. 微重力飞机
微重力飞机指的是飞机在飞行时，飞行员模拟自由落体的抛物线进行飞行，如图所示，在下落的过程中，飞机内部的所有装置都进入微重力状态。飞机到达最低点后再拉升起来，达到顶点后再次沿抛物线下落飞行，又一次进入微重力环境。这样的飞行在一次任务中可以进行多次。但是由于飞机拉升时，是超重力环境，对实验样品也有一定程度的扰动。由于飞机飞行的最高高度只有1万m左右，在一次抛物线飞行中，只能实现大约30s的微重力时间。这还需要飞行员具有很高的飞行水平。
抛物线飞机
3. 微重力气球和微重力火箭
这两种模拟方法都是将实验装置携带至几十千米（高空气球）到几百千米（探空火箭）的高度，然后将实验装置抛出，让其自由下落。但是由于下落到30km高度以后，大气密度逐渐增加，产生的阻力破坏了微重力环境，实验只能在进入30km高度之前完成。由于高空气球的飞行高度最高也只有40～50km，用高空气球的方式开展微重力实验，获得的微重力时间并没有提升多少。采用探空火箭开展微重力实验，则可以获得数分钟到十数分钟的高质量的微重力时间。但是，探空火箭的成本较高。ESA和NASA每年利用探空火箭进行微重力和生命科学实验的次数都在一到两位数规模以内。利用探空火箭进行微重力和生命科学实验，均需要将样品回收，因此要同时考虑样品的回收技术。世界上绝大部分的探空火箭发射场都在陆地上的无人地带，通过降落伞回收样品。样品着陆后有精确的定位信息，可通过直升机或越野车尽快获得回收的样品。极少数的探空火箭实验场利用海上回收的方式，如挪威的实验场。
高空气球
4. 返回式微重力实验卫星
在地球轨道上运行的人造卫星做圆周运动时的离心力如果与地球引力相等，卫星将在轨道上持续运行而不会掉下来。在地球的引力场条件下，这样的轨道速度称为“第一宇宙速度”。根据轨道的高度不同，速度为 7.6～7.8km/s。当卫星达到这样的轨道速度以后，由于离心力抵消了地球引力，在人造卫星上将出现模拟的微重力环境。虽然并非真正的微重力环境，但这个模拟环境存在的时间与人造卫星的轨道寿命一样长，是以周、月、年来计算的。因此，人造卫星是开展长期微重力和生命科学实验的最佳实验平台。同时需要指出的是，样品回收会带来额外的技术问题，如回收舱进入大气层后气动热的防护问题、着陆前的开伞问题、开伞后落点不确定的问题，以及着陆后尽快发现和样品获取的问题等。相比探空火箭和不要求回收的人造卫星，返回式微重力实验卫星的成本更高。
5. 载人空间实验室、空间站
与微重力返回式卫星不同的是，载人任务中的微重力和生命科学实验增加了人的因素，可以大大提高微重力和生命科学实验的效率，并应对随机的实验现象，因此可以做更高级和更复杂的实验，但是其成本也大大地提高。因此，为载人空间实验室和空间站论证适合的、科学目标重大的实验任务，是微重力和生命科学团队面对的重要挑战。
中国未来空间站的艺术概念图
二、微重力条件下，什么改变了？
在微重力环境中，液体的表现最突出。水中的气泡将不再向上飘，而是向各个方向运动。不同液体也不会因为其比重不同而分出明显的液层。一滴水将会飘在空中，其受到的最重要的作用力是表面张力，而不是重力。
在微重力环境中，热空气不再向上运动，因此火焰的火苗不会一直向上蹿，在静止空气中将呈圆形。
在微重力环境中，植物将失去向上生长的方向感，由于土壤中的水不会向下沉，根系也将失去方向感，向各个方向生长。
细胞本身就是由细胞壁包起来的液体/生命体，遵循液体在微重力环境中的规律。高级生命的骨质将很快出现疏松。航天员经过在轨锻炼，将在一定程度上减缓骨质流失的速度。
总之，所有和重力相关的物理现象都会消失。表面张力、界面附着力成为主要作用力。
三、生物辐射效应
对生物而言，进入空间后，还有一个特殊的效应就是生物辐射效应。生物的基本单元—脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）受到空间粒子的辐射，将会出现断裂，引起基因变异。不过需要指出的是，大家熟知的特别大的太空黄瓜、太空西红柿，并不是经过空间飞行的所有种子的普遍现象，而是经过几代的筛选，选出个体大的后代培育出来的。
如果辐射可以改变生物种子的基因，那么，能把种子放到地面上的加速器中进行照射，然后再种植吗？实验发现，地面加速器对种子产生的作用与空间并不相同，不能代替在空间飞行后对种子产生的作用。然而，这些现象的基本理论和原理都还没有研究清楚。
四、基础物理实验
在空间还可以开展一些地面上无法实施或者要求精度很高的物理实验，如等效原理的验证、玻色-爱因斯坦凝聚实验、高精度冷原子钟、量子纠缠的远距离分发实验等。这些实验内容很多，有些并不一定和微重力相关。例如，中国墨子号量子科学实验卫星（QUantum Experiments at Space Scale，QUESS），即墨子号，在空间开展了大尺度高速量子密钥分发实验、量子纠缠分发与量子隐形传态实验等。这些实验和微重力并不相关，但也属于基础物理实验的范畴。
五、重要的前沿问题
1. 复杂流体的对流、扩散、输运
受到微重力影响后，流体将会改变其运动规律。当流体成分、边界条件变得复杂时，其在微重力下的运动规律就成为我们研究的目标，如多相液体的分层、扩散和输运。这些规律有非常广泛的应用领域，如火箭发动机燃料储箱里的剩余燃料问题、卫星热管内的液体流动问题、月球表面着陆后的月尘颗粒在1/6g重力下的运动问题、生命细胞中液体的运动问题等。
2. DNA在粒子辐射后的遗传变异问题
如上所述，DNA双螺旋结构中的任何一个臂、任何一节，受到粒子辐射后都会发生断裂。在哪一节、哪一段发生断裂，是否会自修复，是否会遗传给后代并造成影响？这些都是未知的重要问题。
此外，更宏观的方面，如航天员健康问题、太空育种问题，都与粒子辐射密切相关。
3. 达尔文进化论在地球以外是否仍有效？
不言而喻，数学在宇宙中是普适的。1+1=2，无论在哪个地外文明中，都应该是一样的，尽管其表达方式可能会有所不同。人类迄今掌握的基本物理规律（不包括与重力相关的），目前看来在宇宙中也是普适的。例如，迄今在所有的宇宙观测中，无论被观测的星系距离我们多远，爱因斯坦的广义相对论都是普适的。
但是，与生命科学相关的基本规律，在地球以外还没有经过验证，如达尔文进化论。这主要是因为，除了地球，我们还没有在太阳系发现其他生命迹象，更不要说在太阳系以外了。为此，把地球生命带到地球以外的空间中去，如空间站或者月球上，开展长期的基本生命科学规律的研究，也是空间生命科学的前沿。
4. 在地面上如何模拟微重力？
如前所述，落塔、微重力飞机，以及微重力气球和探空火箭是人类模拟微重力环境的几个办法。但是，这些办法都不能长时间地模拟微重力环境。很多实验不得不到空间去做，使成本变得很高。在载人空间站做实验，也会面临着很多干扰，如空间站内的各种仪器、风扇等的振动等，甚至卫星上飞轮的转动都会使得微重力水平降低。目前在微重力卫星上能够实现的微重力水平为10−3g～10−5g。此外，还涉及使实验样品顺利返回方面的问题，更增加了实验的成本。
目前，有两种不完整的地面模拟方法正在发展，一个是磁悬浮，另一个是生物回转器。但是，这两种方法都不能完整地模拟真实的微重力环境。因此在实验前，必须仔细分析实验的目的和需求，考虑是否可采用磁悬浮和生物回转器来模拟微重力的环境。
本文摘编自《空间科学概论》（吴季著. 北京：科学出版社，2020.9）一书“第四章 空间科学的重大前沿问题之二”。
ISBN 978-7-03-065760-2
责任编辑：朱萍萍 程雷星
空间科学是以航天器为主要工作平台，研究行星地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙，回答太阳系乃至整个宇宙的形成与演化、生命的起源与进化、物质结构等重大科学问题的交叉性、综合性新兴科学领域。本书从人类利用航天器探索和进入空间的历史开始，介绍空间科学各分支领域研究的重大科学前沿问题、开展空间科学研究必备的基础技术知识、航天器研制过程的基础管理知识，同时论述了空间科学领域国际合作的必要性，并对中国空间科学的未来发展规划进行了阐述。
本书可供参与空间科学计划的科学家、工程师和管理者，科技工作者、高校学生和社会公众参考，也可作为大专院校相关专业学生的教材和相关课程的参考书。
（本文编辑：刘四旦）
