揭秘|空间站有台30亿年误差1秒的钟,8台科学实验柜随梦天飞天

北京日报客户端

2022-10-31 16:06北京北京日报报业集团
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在空间站的三个舱段中,梦天实验舱主要承担空间科学实验任务。中国科学院联合优势力量协同攻关,共研制了超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等7个方面的8个科学实验柜。

利用这些实验柜,重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究将在太空开展。中科院空间应用中心空间应用系统副总师刘国宁介绍,目前在上述方向已经规划安排了约40项科学实验项目,其中包含了部分国际合作研究,预期能够在上述领域做出具有国际水平的科学研究成果。

空间站有台30亿年误差1秒的钟

早在2016年,一台精度高达3000万年误差1秒的冷原子微波钟,就曾随天宫二号遨游太空。现在,比它还准的冷原子锶光钟作为高精度时频实验系统的核心组成部分,跟随梦天实验舱首次进入太空,将实现30亿年误差1秒的精度。

高精度时频实验系统是中科院本次上行的实验系统中唯一的一对“双胞胎”。“可以说它是本批实验系统中结构最复杂、研制难度最大的。”高精度时频实验系统研制任务总指挥、责任科学家张首刚介绍,该系统包含了主动氢原子钟、冷原子微波钟、冷原子锶光钟等13台单机,分别安装在舱内和舱外,其中舱内分为时频柜I、时频柜II两柜。

高精度时频实验柜Ⅰ

高精度时频实验柜Ⅱ

“秒”是基本物理量时间的单位,在太空产生高精度时间将有何用?张首刚说,空间站提供的超高精度时间频率信号,将用于相关基础物理研究实验,如引力红移的测量,精细结构常数变化的探测等,支撑相对论及相关理论的高精度检验。也可以为地面一些重大科技基础设施提供高精度时间同步信号,提升其性能。

此外,在线维修装调操作柜也是精密操作的代表,该柜主任设计师张璐将它比作“太空维修工厂”。箱体内配备的一套7自由度的灵巧机械手,可以实现精度达0.1毫米的操作。此外,它配备的智能诱导维修系统将为航天员减负,增强现实眼镜会为航天员提供清晰直观的操作维修指引,无需再翻阅厚厚的操作手册。

在线维修装调操作柜

从“绝对零度”到1600摄氏度

人工创造的极端条件,对科学研究来说极为宝贵。而在梦天实验舱中,科学实验柜能在太空创造出低至接近“绝对零度”,高至1600摄氏度的实验条件。

“超冷原子物理实验柜将带我们以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界。”超冷原子物理实验柜副主任设计师汪斌说,该柜是我国首个微重力条件下运行的超冷原子物理实验平台。利用空间站优越的微重力条件和两级蒸发冷却等一系列新方法和技术,有望制备出距“绝对零度”以上仅千亿分之一摄氏度范围内的超低温量子气体,将能观测到肉眼可见的宏观量子现象。在微重力条件下,基于超冷原子物理实验系统开展的重大物理问题研究,有望超越地面的限制获得重大基础科学突破,为基本物理定律提供更高精度的检验。

超冷原子物理实验柜

高温材料实验柜则恰好与之相反,它的最高加热温度可达1600摄氏度,且能长时间保持稳定,波动不超过正负0.25摄氏度。通过X射线成像,科学家可以实时观察各种材料在微重力的高温环境下熔化、凝固的过程。该柜还可以提供旋转磁场、主动冷却、加速度测量等附加功能和操作。

高温材料实验柜

微重力环境有望制备出地面环境难以实现的微观结构均匀、无缺陷的高质量材料,进而开发出新型、颠覆性的材料。高温材料科学实验柜科学实验系统主任设计师刘学超透露,该柜首批将一次性自动化批量开展16支样品的科学实验,主要包括高温合金材料、功能晶体材料和化合物半导体材料。未来,新型半导体材料、生物纳米材料、能源材料、先进陶瓷及复合材料等新型材料都有机会开展在轨研究。

实验舱里将“点火”“烧开水”

燃烧是人类最早发现并应用的物理现象。但如果在太空点燃一簇火苗,其形状将出乎你的意料——它呈现出一团圆圆的“火球”。燃烧科学实验柜的主要任务,便是在太空“点火”,开展微重力燃烧基础科学研究。

燃烧科学实验柜

“大家可能会有疑问,在空间站做燃烧实验会不会很危险?这完全不用担心,我们的燃烧室密封非常好,不会对空间站运行产生影响。”燃烧科学实验柜科学实验系统主任设计师郑会龙解释道,在轨燃烧实验的最大燃烧量仅100瓦,大约相当于3根蜡烛的燃烧量。

气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等燃烧实验可在燃烧科学实验柜中全自动进行,火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息可被清晰捕捉测量。相关数据将助力燃烧基础科学问题、空天推进、燃烧材料合成、航天器防火灭火等基础及应用技术的发展。

在几次太空授课中,“太空教师”的主要道具都是流体,其背后隐含的则是大量微重力流体的基本知识。在失重情况下流体的运动受什么控制?流体物理实验柜科学实验系统主任设计师、责任科学家康琦以烧开水来打比方。热对流的典型应用之一便是烧开水,但在微重力环境下,热对流机制会发生极大变化,浮力作用几乎消失、温差引起的表面张力变化将成为流体形成对流的主导因素。

流体物理实验柜图

微重力环境为流体创造了近乎理想的各项同性研究条件,流体运动表现出的许多新规律、新机制,都要通过太空实验研究来重新认识。流体物理实验柜配置了10套宏观尺度的流体动力学测试系统、4套微观尺度的复杂流体测试系统,并通过主动悬浮隔振系统进一步优化实验的环境微重力水平,能直接全面观测流体的速度场、温度场、浓度场、表面变形等,以及流变和自组织特性。

两相系统实验柜则瞄准了蒸发与冷凝、沸腾和热管传热、空间在轨流体管理等科学研究与技术验证。随柜发射的首发科学实验模块将进行空间蒸发对流与相变传热强化实验研究,其集成了3组封闭式蒸发液池和9种不同表面材料蒸发台,计划在轨完成600次不同工况的液滴和液层蒸发实验。

两相系统实验柜

来源 北京日报客户端记者 刘苏雅

编辑 王海萍

流程编辑 严圣淼

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