探秘我国4秒电磁弹射微重力实验装置

 

微重力环境是很独特、很珍贵的实验条件，长期的微重力环境目前只能在太空才能找到。为了更经济、更简便地获得这种微重力实验条件，科学家们其实一直在努力。前不久，我国一座可以用电磁弹射实现微重力的实验装置启动试运行，近日已经开始了首批微重力实验。这个装置就是由中国科学院空间应用中心研制建设的4秒电磁弹射微重力实验装置，这也是亚洲首个电磁弹射微重力实验装置。

它到底是个什么样的装置、怎么在地面上实现微重力环境呢？跟记者一起去看看。

4秒电磁弹射微重力实验装置高达44.5米，相当于约11层楼高。在建筑的外观上，这些白色的曲线其实就是重力加速度变化的一个示意曲线。

整个实验装置的内部可以看到是一个钢架结构，就像是一个大电梯，整个实验装置没有一处使用焊接，所有的连接是靠4万多颗螺栓，精准地铆钉在一起。

中国科学院空间应用中心高级工程师 张鑫：采用螺栓的方式连接，优点是第一我安装的时候精度可调，第二如果后期发生二次变形，可以二次可调，这样的话可以保证咱们装置的精度永远在可控的范围之内。钢结构的重量达到了300多吨，装置整个高度是44.5米，它目前是在只在一层地面进行固定，在空中无任何横向的接触或者是固定，这种结构目前在国内属于独一无二的，并且在整个40米长度范围之内，它的偏差不超过一毫米。

在这个“大电梯”中间、电梯“轿厢”的位置，这个圆筒形、能够上下移动的装置，是整个实验装置的实验舱。它直径1米2，高2米，重500公斤。这个实验舱是怎么用呢？它里面是要装一些实验样品，然后把实验舱以每秒20米的速度向上弹射出去，然后实验舱再回落下来，在这过程中，就可以给这里面的实验样品提供4秒钟的微重力环境。而弹射的过程，是利用电磁弹射技术。

中国科学院空间应用中心电磁技术研究室主任 张建泉：航母的电磁弹射技术是在水平方向把一个三十几吨的飞机往水平方向弹射。我们电磁弹射实际上是把一个实验舱体通过垂直方向的加速，把实验舱体加速到20米每秒，自由上抛和自由下落的两个飞行的长度各20米，上抛2秒下落2秒，4秒的微重力的时间就是这么来的。

中国科学院空间应用中心工程师 郭瑞成：第一点的话爆发力强，第二点的话就是绿色节能。所谓的爆发力强是因为是这套装置是要求在运行过程中，在一秒之内要提供瞬间提供一度电的能量，这是一个什么概念？也就是在一秒钟之内就能够把8.5公斤的水从0摄氏度加热到100摄氏度。节能的话，因为这套装置在回落的过程中，它是有一个很大的势能，我们通过变流器还能够把它回收到储能装置里面去，这样的话就是达到了一个节能的目的。

4秒钟，非常快就过去了。但就是这4秒的微重力环境已经在科学研究中发挥作用。科研人员近日利用这个电磁弹射微重力实验装置开展了首批科学实验，其中就包括“微重力喷雾冷却实验”。

这个实验是为了解决航天器内部超大功率、超高热流器件长时间稳定运行的冷却控温问题。我们通过这个实验，来看看这个实验装置“大电梯”究竟是怎么运行的。实验舱被弹射出去后、4秒的微重力条件下，实验舱里发生了什么？

为什么要做地面的微重力这个实验？

中国科学院力学研究所副研究员 赵霄：喷雾冷却，它的微重力条件下，它液膜在流动的过程中，惯性力、表面张力、重力的影响就会截然不同，我们的主要任务就是探究它的这种规律，以及背后的物理过程机制。

一些什么样的实验可能需要这么高的微重力？

中国科学院空间应用中心副研究员 张永康：主要是一些高精尖的一些设备，像咱们的一些冷原子、包括量子，这些相对来说比较前沿一些的物理实验，会比较需要这种绝对微重力的水平。

实验的结果怎么样？

中国科学院力学研究所副研究员 赵霄：刚才的实验结果非常不错，可以清楚地看到冷却介质在喷雾冷却、在表面流动的演化过程非常的清晰，从中间向两边流去，在流动的过程它发生了蒸发，就带走了热量。可以看到它很多液膜形成一种鼓包状态，说明在这个时候表面张力起到了约束并且主导的作用，所以约束了它像向一个球形去发展。可以说取得获得了一些新的现象，也取得了一些新的成果。

在电磁弹射微重力装置启用之前，如果想不上太空、在地面上实现微重力，研究人员往往是通过落塔或者是抛物线飞机的方式来获得微重力环境。

还有一种方式就是通过乘坐抛物线飞机、也叫失重飞机，我国一些航天员就曾去国外坐过失重飞机，它其实就是飞机爬升到一定高度后，发动机关机，然后飞机依靠惯性保持一段上升状态，达到顶点后再加速下降，飞出一个抛物线的形状，在抛物线的顶端前后，飞机处于失重状态，这样飞机上的乘客就处于一种微重力环境中。

专家说的3个g、5个g、十几个g的过载，其实就相当于，无论是实验样品落地、还是汽车碰撞实验，最后那一下的冲击力，相当于3个、5个或十几个自身重量碰撞压迫的力量。一般航天员训练最大要经受8个g的过载，而现在电磁弹射微重力实验装置，实验过程中的最大过载不超过5个g，而且在运行成本方面也有优势。

中国科学院空间应用中心电磁技术研究室主任 张建泉：传统的落塔它一天做一次到两次实验，我们这个可以一天做几十次实验。另外一个就是我们运行成本很低。只消耗电费，像失重飞机它是微重力维持时间会长一点，能够到20秒左右，但是我们失重飞机一次的成本，普通的一个载荷进去可能也得花二三十万。

同时，电磁弹射微重力实验装置还可以通过精准控制，模拟月球和火星重力进行相关科学实验。

中国科学院空间应用中心副研究员 张永康：进入自由段这个状态，我会给它持续施加一个精准的力，它可能是1/6个g，如果去火星的话可能是1/3个g，通过我们电磁给它一个精准推力，让载荷感受到自己是在地外行星的一个概念。

专家说到，通过电磁弹射微重力实验装置，还可以模拟月球和火星的重力环境，这种实验装置可以为我们未来探月、探火做更多的科学实验了。那么，实验装置所用到的电磁弹射是一种什么样的技术呢？其实，弹射就是通过某种方式让物体拥有一个初速度，把它抛射出去。

目前，4秒电磁弹射微重力实验装置已经开始了首批实验，而更大规模的20秒电磁弹射微重力实验装置也正在规划中，其能力水平将进一步拓展提高。

中国科学院空间应用中心电磁技术研究室主任 张建泉：我们现在正在建设一个微重力的时间可以达到20秒的一个大型的重大科技基础设施。往地下挖接近800米左右的一个深度，未来整个的实验载荷的装载空间也比较大，整个内部的直有效的直径可以达到接近三米，时间可以达到20秒，另外我们的整个载荷的重量可以达到500公斤以上。

相对于4秒微重力装置，未来新一代20秒电磁弹射微重力实验装置的各项指标将进一步提升，为载人航天、深空探测等国家重大工程提供更加高效便捷的地基微/低重力技术验证条件。

中国科学院空间应用中心电磁技术研究室主任 张建泉：一旦我们重大科技基础设施运行到一定程度，我们安全性问题都验证没有问题了，我们人也是可以进去里面进行，包括像航天员的失重训练，或者说普通大众的失重体验，或者我们叫太空体验，也是可以在基础设施里面去做的。