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問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的成功發(fā)射，并與天和核心艙成功對(duì)接，為天宮空間站送來(lái)了許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，以開(kāi)展太空實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。在這些實(shí)驗(yàn)柜中，變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜主要為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供零重力到兩倍重力范圍的高精度模擬重力環(huán)境，用以研究不同重力環(huán)境下的物理、化學(xué)和生命科學(xué)現(xiàn)象。 
變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜示意圖 變重力研究有什么重要意義？這一實(shí)驗(yàn)柜是如何實(shí)現(xiàn)改變重力的呢？請(qǐng)任務(wù)組的相關(guān)專(zhuān)家來(lái)為大家講解吧。 為什么要進(jìn)行變重力研究？ 在地球表面的物體都會(huì)受到重力的作用，蘋(píng)果就是被重力拉扯而砸到牛頓的腦袋上的。重力有時(shí)很有用，但有時(shí)也會(huì)給科學(xué)家造成困擾。 例如，有這樣一個(gè)科學(xué)問(wèn)題：為什么我們無(wú)論以什么朝向播種種子，種子的根都會(huì)向下長(zhǎng)，而莖都會(huì)向上長(zhǎng)呢？經(jīng)過(guò)研究，科學(xué)家認(rèn)為根系的生長(zhǎng)表現(xiàn)出向重力性，也就是根系中的一些生理過(guò)程能夠誘導(dǎo)根系向著重力的方向生長(zhǎng)。那么，如何驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)呢？要是能夠找一個(gè)沒(méi)有重力的地方試著種一下植物就好了，可是地球上是沒(méi)有這種地方的。雖然科學(xué)家做了一些能夠在地面上模擬微重力的實(shí)驗(yàn)裝置，但是想要長(zhǎng)期觀察植物在絕對(duì)無(wú)重力的環(huán)境下生長(zhǎng)，太空中的空間站就成了最佳實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)。 
再比如，我們要研發(fā)一款適合在月球上種菜的作物栽培裝置，為了測(cè)試該裝置是否有效，必須模擬出月球的重力，這大概是地球重力的六分之一。地面上的重力模擬總是會(huì)受到地球重力的干擾，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，持續(xù)時(shí)間還很短，不適合開(kāi)展長(zhǎng)期的觀察實(shí)驗(yàn)。而在太空的零重力環(huán)境下，我們可以相對(duì)容易而持久地創(chuàng)造不同重力大小的環(huán)境，模擬出月球、火星等等一系列的不同重力，為登月乃至登陸火星等探索計(jì)劃提供試驗(yàn)條件。 因此，變重力實(shí)驗(yàn)柜作為一個(gè)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以服務(wù)于多種科學(xué)項(xiàng)目，允許生物、流體、燃燒等各領(lǐng)域的科學(xué)家去研究重力影響的科學(xué)機(jī)制，為重力相關(guān)的研究提供外部平臺(tái)環(huán)境。 如何實(shí)現(xiàn)變重力？原來(lái)是靠離心機(jī)啊 在圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的空間站中，物體處于失重狀態(tài)，這就是我們常說(shuō)的太空零重力。在這個(gè)基礎(chǔ)上，如何才能向物體施加可變的重力呢？ 變重力實(shí)驗(yàn)柜的主要裝置，是兩套900毫米直徑的離心機(jī)。 
離心機(jī)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，因?yàn)閼T性作用，實(shí)驗(yàn)載荷會(huì)有一個(gè)向外飛出的趨勢(shì)，可以等效為物體受到一個(gè)沿著旋轉(zhuǎn)半徑向外的離心力。只要維持旋轉(zhuǎn)，這個(gè)等效力就會(huì)一直存在，我們就用這個(gè)力來(lái)模擬物體受到的重力。這一“模擬重力”的大小與離心機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此只要控制轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)變重力啦。 變重力實(shí)驗(yàn)柜都有哪些“黑科技”？ 與同類(lèi)變重力裝置相比，本次發(fā)射搭載的變重力實(shí)驗(yàn)柜的離心機(jī)是目前在軌運(yùn)行中最大的，這意味著可以同時(shí)容納更多、更大的實(shí)驗(yàn)對(duì)象來(lái)參與實(shí)驗(yàn)，可以大規(guī)模地進(jìn)行重力相關(guān)的研究課題了。 但是，想要維持一個(gè)更大的離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，不是簡(jiǎn)單地把一切都相應(yīng)地做大就可以了。首先，我們要考慮到這個(gè)離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可能非常長(zhǎng)，例如植物生長(zhǎng)需要幾個(gè)月的時(shí)間，中途必須一直維持離心機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)才可以持續(xù)模擬重力。這樣一來(lái)，機(jī)器就需要想辦法盡量減少磨損。 因此，實(shí)驗(yàn)柜的黑科技之一，就是無(wú)線傳能系統(tǒng)。傳統(tǒng)的離心機(jī)是采用導(dǎo)電滑環(huán)的方式來(lái)傳遞能量的，有物理接觸，因此就有磨損。實(shí)驗(yàn)柜的設(shè)計(jì)壽命達(dá)十年以上，如果讓幾個(gè)部件在一起轉(zhuǎn)著磨十年，鐵杵磨成針的故事就不再是傳說(shuō)了。采用新的無(wú)線傳能工作方式后，就可以把這種機(jī)械磨損降到忽略不計(jì)了。 
無(wú)線傳能結(jié)構(gòu)及能量流圖 有的小伙伴可能要問(wèn)了：我的手機(jī)就能無(wú)線充電啊，這有什么先進(jìn)的呢？的確，目前無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)十分普及，但是大部分無(wú)線充電技術(shù)的額定功率僅有數(shù)十瓦。但我們的變重力實(shí)驗(yàn)柜中所應(yīng)用的無(wú)線傳能技術(shù)，其功率可以輕松達(dá)到300瓦以上，能量轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)80%。如此高的功率帶來(lái)的最大問(wèn)題就是散熱，為此，實(shí)驗(yàn)柜專(zhuān)門(mén)配備了一套熱控系統(tǒng)，將單純的純液冷散熱升級(jí)為風(fēng)冷加液冷的二級(jí)散熱模式，并增加了第三級(jí)的半導(dǎo)體制冷，進(jìn)一步降溫。 除此之外，變重力實(shí)驗(yàn)柜還實(shí)現(xiàn)了在軌自動(dòng)平衡技術(shù)。物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果重心沒(méi)有落在轉(zhuǎn)軸上，就會(huì)出現(xiàn)偏心運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。偏心不但會(huì)使摩擦加劇，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有毀壞離心機(jī)的危險(xiǎn)。就像汽車(chē)輪胎補(bǔ)胎之后，都要把輪胎放在一個(gè)設(shè)備上，讓輪胎高速旋轉(zhuǎn)，測(cè)出其重心和轉(zhuǎn)軸的偏差，然后采用配重的方式重新使其平衡。 實(shí)驗(yàn)柜在裝載實(shí)驗(yàn)載荷時(shí)，各載荷的質(zhì)量不可能相同，放置位置也不一定對(duì)稱(chēng)，整盤(pán)的質(zhì)心就會(huì)偏離中心，另外實(shí)驗(yàn)載荷里的樣品在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能發(fā)生形態(tài)的變化，例如，植物逐漸長(zhǎng)大，也會(huì)使離心機(jī)變得不再平衡。因此，必須能夠及時(shí)調(diào)整離心機(jī)的配重，使其重新回到平衡狀態(tài)。在軌自動(dòng)平衡技術(shù)，就是能夠讓離心機(jī)自行監(jiān)測(cè)自己的平衡參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)自身的配平塊，不需要人工調(diào)節(jié)，也不需要停機(jī)，隨時(shí)隨地保證離心機(jī)的平衡狀態(tài)，從而減少不必要的摩擦損耗，提高重力控制的精度。 
在軌自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)演示 此外，變重力實(shí)驗(yàn)柜還采用了復(fù)雜約束下離心機(jī)一體化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，主要是基于中心驅(qū)動(dòng)的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)高剛度、高精度的傳動(dòng)、傳能、測(cè)控一體化設(shè)計(jì)技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)載荷模塊的在軌快拆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證航天員在軌操作的便利可靠。無(wú)論是生物類(lèi)、流體類(lèi)的實(shí)驗(yàn)，甚至是燃燒類(lèi)的科學(xué)項(xiàng)目，只要按照標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，只需要航天員拿著實(shí)驗(yàn)單元進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，載荷的裝載就完成了，真正實(shí)現(xiàn)了即插即用。 
標(biāo)準(zhǔn)載荷快拆機(jī)構(gòu) 從古時(shí)起，人類(lèi)就憧憬著馮虛御風(fēng)的超自然能力，而本次問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙所搭載的變重力實(shí)驗(yàn)柜，不但能夠克服重力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)最多兩倍重力，相比之下，真可謂是不知道高到哪里去啦。而這一變重力實(shí)驗(yàn)柜的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)多項(xiàng)新技術(shù)的突破。感謝奮戰(zhàn)在一線的科研團(tuán)隊(duì)的付出，讓我們把古人腦海中的幻想變?yōu)槊利惖默F(xiàn)實(shí)。（本文圖片均由撰稿人提供）
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