定義

微重力是指重力或其它的外力引起的加速度不超過(guò)10e-5～10e-4g。太空環(huán)境就是微重力環(huán)境。

現象

由于太空和地球表面環(huán)境有很大的不同，地球表面為1G重力環(huán)境，而太空處于真空狀態(tài)。在太空生活與工作的航天員，由于要長(cháng)期處于這種微重力環(huán)境，吃、穿、住、行等都要適應這種狀態(tài)。航天員醫學(xué)監督醫學(xué)保障研究室主任李勇枝告訴記者，在微重力環(huán)境中，你會(huì )有完全不同于地面的感覺(jué)。由于缺乏重力，航天員最先感覺(jué)到的就是身體是飄浮的。飛船艙內的東西，如果不用帶子固定，都要飄著(zhù)。航天員要想行走，只能用雙手推拉艙壁來(lái)幫助身體移動(dòng)。若是在艙外，則需要用特制的出艙活動(dòng)裝置來(lái)幫助航天員“走動(dòng)”。在缺乏重力的情況下，人身體上所有與重力有關(guān)的感受器都發(fā)生了變化。四肢已感覺(jué)不到重量，人體感覺(jué)不到頭部的活動(dòng)。這種異常的感覺(jué)使航天員造成定向錯覺(jué)，當用手推拉航天器艙壁時(shí)，感覺(jué)不到自己是前后運動(dòng)，而是會(huì )認為航天器在前后運動(dòng)，自己是靜止不動(dòng)的。非常有意思的是，在微重力環(huán)境下，航天員們個(gè)個(gè)‘武功’大增，他們可以輕松地做許多在地面很難完成甚至不可能完成的動(dòng)作。如用一個(gè)指頭拿大鼎、隨意做各種翻滾動(dòng)作等。這種微重力環(huán)境會(huì )使航天員出現頭暈、目眩、惡心、困倦等癥狀，對體內器官會(huì )造成影響。航天員一旦進(jìn)入微重力狀態(tài)，由于缺乏重力的向下吸引，全身體液會(huì )向上半身和頭部轉移，出現頸部靜脈鼓脹，臉變得虛胖，鼻腔和鼻竇充血，鼻子不通氣。而體液的轉移會(huì )使航天員出現血漿容積減少，血液濃縮，導致貧血。微重力環(huán)境對于人體的肌肉、骨骼也有一定的影響。目前世界各國已進(jìn)行了大量的研究，并采取了一定的防護措施，經(jīng)過(guò)多次試驗，有些已取得明顯的效果，但有的病癥目前還不能有效解決。需要進(jìn)一步地去探索和研究。微重力的值通常為地面重力的萬(wàn)分之一，10-4g。

實(shí)現方法

在地面獲得微重力（mg）的手段主要有落塔或落井（（1~10)s的mg時(shí)間，（10e-4~10e-6）g的mg水平）、拋物線(xiàn)飛行的飛機（20s左右的mg時(shí)間，10e-2左右的mg水平）以及各種空間飛行器(數天~數年的mg時(shí)間，10e-4g的mg水平）。

比如美國NASA GRC的2.2s落塔和5.18s落井，德國ZARM的4.74s落塔，日本JAMIC的10s落井和MGLAB的4.5s落塔，中國科學(xué)院工程熱物理所的2s落塔，中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗室的3.60s落塔;實(shí)驗飛機主要有美國的KC-135，法國的A-300，日本的MU-300等；探空火箭主要有美國的Black Brant,德國的TEXUS，日本的TR-1A等；空間飛行器主要有美國的航天飛機和空間實(shí)驗室，俄羅斯已墜毀的和平號空間站（Mir）。

美國航宇局有多座用于產(chǎn)生微重力環(huán)境的落塔。這些落塔雖然結構各異，但產(chǎn)生微重力的原理都相似。世界上最長(cháng)的落塔是日本人建造的，長(cháng)490米，是用一座廢舊的礦井改建而成，可產(chǎn)10秒的低重力。這是目前在地面用落塔產(chǎn)生低重力的最長(cháng)時(shí)間。

用飛機作拋物線(xiàn)飛行可產(chǎn)生30秒左右的低重力環(huán)境。所謂拋物線(xiàn)飛行是飛機先以45o角迅速爬高（稱(chēng)急升段），然后改為平飛（稱(chēng)平飛段），最后又以45o角下降（稱(chēng)下降段）。飛機在急升段和下降段，飛行員和參加實(shí)驗的人員可受到2g加速度的作用，而在平飛段可體驗到30秒鐘的低重力環(huán)境。

用高空探測火箭也能產(chǎn)生幾分鐘的微重力環(huán)境?；鸺l(fā)射以后，先是以高加速度向上爬升，到達一定高度后有效載荷艙與火箭分離；然后有效載荷艙作慣性飛行，這相當于一種拋物線(xiàn)彈道飛行；最后再入大氣層、減速和著(zhù)陸。在有效載荷艙慣性飛行期間產(chǎn)生微重力環(huán)境。

在地球軌道上運行的航天器是產(chǎn)生長(cháng)時(shí)間微重力環(huán)境的理想工具。當航天器在320千米高的軌道上運行的時(shí)候，受兩種力的作用：一種是重力，將航天器往地心拽，另一種是離心力或慣性力，它由于航天器繞地球運行而產(chǎn)生，與重力的方向相反，重力與離心力相互抵消，因而產(chǎn)生微重力。

微重力應用

在太空材料加工方面主要應用于以下幾個(gè)方面：

1.晶體生長(cháng)——包括以下三種類(lèi)型：

a.熔體生長(cháng)

b.汽相生長(cháng)

c.溶液晶體生長(cháng)

2.金屬與合金

3.復合材料

4.玻璃

燃燒這個(gè)詞所表達的是化學(xué)反應物之間強烈放熱反應引發(fā)火焰的現象。很多時(shí)候人們通過(guò)判斷其狀況（如位置、形狀、火勢等），也有不發(fā)光的。燃燒不是化學(xué)釋能的瞬時(shí)現象，它是有許多條件和階段的過(guò)程。從反應物到生成物的過(guò)程中，包含有不同于化學(xué)反應的很多物理過(guò)程，這些物理過(guò)程控制著(zhù)燃燒的發(fā)生、性質(zhì)、種類(lèi)、作用、熄滅和利用。具體包括反應物加熱、相變、改變氣壓、氣相混合及混合比控制等過(guò)程。這些過(guò)程的控制決定燃燒效率，產(chǎn)物對環(huán)境的污染程度，也是控制滅火條件的依據。鑒于全球能源 需求80%以上由燃燒方式滿(mǎn)足：海、陸、空、航天運輸，火電，材料加工和機器制造，生活質(zhì)量保證等；減少環(huán)境污染和有效防止火災，均有賴(lài)于對燃燒的認識，故燃燒學(xué)研究重點(diǎn)日益轉移到物理過(guò)程研究。問(wèn)題實(shí)質(zhì)屬液體力學(xué)范疇，因而其力學(xué)行為可用3個(gè)無(wú)量綱數（Reynolds數、Rechardson數、Grashof數）描述；換句話(huà)說(shuō)，和其他流體相仿，燃燒中的氣體流場(chǎng)對重力是敏感的。其中熱傳導、質(zhì)量擴散、熱化學(xué)反應引起的密度變化將影響這個(gè)過(guò)程；在重力場(chǎng)中浮力誘發(fā)的流動(dòng)，和其他流體系統相仿，常表現為不穩定因素，使過(guò)程研究復雜化。消除后者可簡(jiǎn)化過(guò)程，這正是利用微重力環(huán)境的主要動(dòng)機。分析微重力條件下產(chǎn)生的火焰，可了解燃燒及其擴展的細節。為防火災，軌道飛行中對燃燒的研究得到航天器艙內氣壓和材料的選擇標準、滅火概念，表明了這種實(shí)驗的可行性，消除自然對流得到燃燒的明確概念和研究模式有助于對認識和利用燃燒。

人類(lèi)還利用太空微重力環(huán)境進(jìn)行了一系列生物學(xué)實(shí)驗，主要是對生物體物質(zhì)、能量循環(huán)及調節研究的生物圈研究，利用微重力促進(jìn)生命進(jìn)程研究及對微重力環(huán)境如何影響地球上生物機體的形成、功能與行為研究的重量生物學(xué)研究，對暴露在空間高能環(huán)境中的生物體損傷與防護研究的輻射生物學(xué)研究等。

在空間微重力條件下進(jìn)行生物體組織培養，可以避免地面重力條件所造成的對流和沉淀作用，獲得比地面條件下更好的效果。

測定

對于微重力（10e-4）級別的加速度值測定，對于眾多科學(xué)實(shí)驗及航空研究非常重要，也是國家科學(xué)技術(shù)水平的重要評定因素。目前世界上頂尖的微重力加速度測定技術(shù)主要由美國，歐洲及俄羅斯等科技強國掌握并實(shí)行技術(shù)封鎖。我國對于微重力的測量技術(shù)在近10年來(lái)也有了長(cháng)遠的發(fā)展，出現了KA2000，KA3000等微重力系列產(chǎn)品，均達到了世界領(lǐng)先科技水平，并成功應用到我國的眾多軍事及科研領(lǐng)域，但是更穩定、更精確的測量技術(shù)仍有待更多的科學(xué)工作者的努力探索與潛心研究。

實(shí)踐十號

“實(shí)踐十號衛星”是中科院空間科學(xué)先導專(zhuān)項中首批確定的5顆科學(xué)衛星之一，是開(kāi)展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的高效、開(kāi)放、綜合性的空間實(shí)驗平臺。

“實(shí)踐十號衛星”工程項目首席科學(xué)家、中科院力學(xué)所胡文瑞院士告訴記者，“實(shí)踐十號”項目包含19項科學(xué)實(shí)驗，涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射效應、重力生物效應、空間生物技術(shù)共六大領(lǐng)域。

實(shí)踐十號于2012年12月31日正式立項，是中國空間科學(xué)先導專(zhuān)項首批科學(xué)實(shí)驗衛星中唯一的返回式衛星，也是單次開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗項目最多的衛星。其科學(xué)目標是研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下物質(zhì)運動(dòng)及生命活動(dòng)的規律，并取得創(chuàng )新科技成果。

“實(shí)踐十號衛星”旨在利用中國成熟的返回式衛星技術(shù)，緊密?chē)@有關(guān)能源、農業(yè)和健康等領(lǐng)域國家科技戰略目標，結合航天器防火等關(guān)鍵技術(shù)需求，促進(jìn)地面生物工程、新材料等高技術(shù)發(fā)展和生命科學(xué)等基礎研究取得突破，獲取一批具有國際先進(jìn)水平的、具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新性重大科技成果。

“實(shí)踐十號”衛星分為回收艙和留軌艙，回收艙在軌運行12天后返回地球，留軌艙繼續在軌工作3天，即衛星總計設計壽命為15天。8項流體物理試驗放在留軌艙內進(jìn)行，其余11項科學(xué)試驗將在回收艙進(jìn)行。

射前準備

測試中的實(shí)踐十號衛星

2016年2月24日凌晨，中國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗衛星——“實(shí)踐十號”運抵酒泉衛星發(fā)射中心，為今年4月的發(fā)射任務(wù)進(jìn)行最后的備戰。實(shí)踐十號衛星是開(kāi)展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的科學(xué)實(shí)驗衛星，由中國航天科技集團公司五院總體部抓總研制。

按照計劃，“實(shí)踐十號”將在軌道上利用太空中微重力等特殊環(huán)境，在短短15天的太空飛行中，完成涉及微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)、空間輻射效應、重力生物效應、空間生物技術(shù)等六大領(lǐng)域的19項實(shí)驗。之后，衛星再把實(shí)驗樣品帶回地球，為微重力環(huán)境及復雜輻射環(huán)境中物質(zhì)運動(dòng)規律的研究提供依據?！皩?shí)踐十號”就是太空中臨時(shí)搭建的一個(gè)實(shí)驗室。

要把這樣一個(gè)精密的實(shí)驗室長(cháng)途運輸送往發(fā)射場(chǎng)，整個(gè)過(guò)程都需要控制溫度和濕度，并保證平穩和安全。工作人員一絲不茍地進(jìn)行裝箱前的準備，確保每一個(gè)環(huán)節都萬(wàn)無(wú)一失。

據中國航天科技集團五院實(shí)踐十號衛星副總設計師李春華介紹，實(shí)踐十號衛星研制成功，將為中國開(kāi)發(fā)出一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于微重力科學(xué)和生命科學(xué)的實(shí)驗平臺，使國家的空間微重力研究有了新的技術(shù)手段。

目前，全世界的科學(xué)家們都在嘗試通過(guò)各種方式營(yíng)造微重力環(huán)境開(kāi)展研究，比如“拋物線(xiàn)飛機”、“探空火箭”等實(shí)驗平臺可以提供幾分鐘甚至更短的微重力環(huán)境，但想要進(jìn)行更長(cháng)時(shí)間的研究，就必須運用實(shí)踐十號這樣的科學(xué)實(shí)驗衛星。

和普通衛星不同，“實(shí)踐十號”還是一顆返回式衛星，它獨有的返回艙將在完成實(shí)驗任務(wù)后回到地面，將太空中的實(shí)驗成果帶回地面。

中國的衛星返回技術(shù)相對成熟，至今成功發(fā)射并回收的衛星已經(jīng)達到24顆。但因為要進(jìn)行獨特的微重力實(shí)驗，作為中國將要發(fā)射的第25顆返回式衛星，“實(shí)踐十號”相比以往的返回式衛星，進(jìn)行了大量的適應性創(chuàng )新設計。

李春華說(shuō)：“這顆衛星的形狀跟其他衛星相比是非常獨特的，主要是在發(fā)射過(guò)程中不需要整流罩，衛星的星體就承擔了整流罩的作用。由于飛行時(shí)間短，衛星主要采用的是化學(xué)電池，而沒(méi)有采用常見(jiàn)的太陽(yáng)能帆板供電方式，所以衛星形狀就類(lèi)似于‘彈頭’?！?/p>

衛星的研制過(guò)程中，要解決多實(shí)驗載荷在太空協(xié)同工作且互不影響的問(wèn)題。特別是生命科學(xué)項目對整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中的溫度要求非常高，因此科研人員對衛星的發(fā)射階段、在軌運行階段和返回階段的溫度都進(jìn)行了嚴格控制。

成功發(fā)射

2016年4月6日1時(shí)38分，中國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗衛星——實(shí)踐十號返回式科學(xué)實(shí)驗衛星，在酒泉衛星發(fā)射中心由長(cháng)征二號丁運載火箭發(fā)射升空，進(jìn)入預定軌道。

據了解，該衛星將展開(kāi)6大領(lǐng)域、19項實(shí)驗，這也是中國迄今為止單次空間微重力和生命科學(xué)實(shí)驗項目及種類(lèi)最多的空間任務(wù)。

成功返回

順利完成12天太空飛行后，我國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗衛星——實(shí)踐十號返回式衛星回收艙，2016年4月18日16時(shí)30分準確降落在內蒙古四子王旗預定著(zhù)陸區域。這不僅標志著(zhù)我國返回式衛星迎來(lái)第二個(gè)春天，實(shí)踐十號也成為我國首顆在四子王旗采用彈道式回收的返回式衛星。

微重力

發(fā)射前四小時(shí)

在實(shí)踐十號回收艙中，有著(zhù)6000余枚小鼠胚胎，專(zhuān)門(mén)用于發(fā)育實(shí)驗的有幾百枚胚胎。在實(shí)踐十號任務(wù)中，總共有9項生命科學(xué)實(shí)驗，負責整個(gè)系統統籌的是段恩奎。

這些實(shí)驗對象乘著(zhù)實(shí)踐十號衛星回收艙，降落在內蒙古四子王旗草原上。進(jìn)一步的觀(guān)察顯示，小鼠胚胎在太空中完成了從二細胞到囊胚的發(fā)育，

微重力

實(shí)驗室

國家微重力實(shí)驗室將繼續以國家重大需求為目標，以積極推進(jìn)微重力科學(xué)與應用研究、促進(jìn)我國空間科學(xué)發(fā)展為已任，進(jìn)一步加強科研、隊伍和基礎設施的建設，提高實(shí)驗室的整體科研水平和運行管理水平，使之成為對國內外開(kāi)放的、國際上一流的微重力研究中心，為國家載人航天工程和空間科學(xué)研究做出貢獻。

二十世紀九十年代初，為適應我國空間科學(xué)發(fā)展的需要、發(fā)展我國載人航天工程及相關(guān)科學(xué)研究事業(yè)，國家863計劃第一屆航天領(lǐng)域專(zhuān)家委員會(huì )決定組建國家微重力實(shí)驗室和國家計算流體力學(xué)實(shí)驗室。1994年原國防科工委(現總裝備部)原則批準在中國科學(xué)院建立“國家微重力實(shí)驗室”(National Microgravity Laboratory)。1995年正式批文、在中國科學(xué)院建立“國家微重力實(shí)驗室”。1998年國家微重力實(shí)驗室實(shí)驗樓建成，國外購置設備和國內自行研制設備相繼通過(guò)驗收。2003年4月總裝備部對國家微重力實(shí)驗室進(jìn)行了全面驗收，實(shí)驗室工作進(jìn)入正常運轉。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗室落塔

國家微重力實(shí)驗室現已成為我國微重力科學(xué)研究的核心實(shí)驗室，為國家載人航天工程做出了重大貢獻，獲得集體和個(gè)人兩項國家科技進(jìn)步特等獎；參加和組織我國微重力科學(xué)的學(xué)科發(fā)展論證；負責組織并完成實(shí)踐8號衛星留軌艙系統的微重力科學(xué)實(shí)驗，取得一批重要學(xué)術(shù)成果；正在負責實(shí)踐10號科學(xué)實(shí)驗衛星載荷總體和科學(xué)研究總體、國家載人航天工程二期應用系統流體物理分系統的工作。鑒于其突出工作業(yè)績(jì)，國家微重力實(shí)驗室獲2005年國家人事部和中國科學(xué)院聯(lián)合頒發(fā)的先進(jìn)集體獎，為發(fā)展我國微重力科學(xué)做出了不可替代的貢獻。在學(xué)術(shù)上進(jìn)行創(chuàng )新性研究的同時(shí)，國家微重力實(shí)驗室積極參與國際微重力科學(xué)活動(dòng)、開(kāi)展卓有成效的國際合作與交流，是國際上有重要影響的微重力科學(xué)研究中心和用戶(hù)支持中心。

作為微重力科學(xué)研究中心，國家微重力實(shí)驗室目前的研究領(lǐng)域涉及微重力科學(xué)的主要方向，包括微重力流體物理(簡(jiǎn)單流體的運動(dòng)、多相流和復雜流體)，微重力燃燒科學(xué)(燃燒機理和空間站防火)，空間材料科學(xué)(凝固過(guò)程、晶體生長(cháng)和模型化研究)，空間生物技術(shù)與生命科學(xué)(生物力學(xué)、細胞-分子生物學(xué)和納米生物技術(shù))，在流體物理、燃燒、生物力學(xué)和先進(jìn)診斷技術(shù)，以及與材料科學(xué)和生命科學(xué)的交叉與融合等領(lǐng)域開(kāi)展了有特色的創(chuàng )新性研究工作，2000-2007年期間已在重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文374篇，出版專(zhuān)著(zhù)(章節)12部。同時(shí)，國家微重力實(shí)驗室還與國內基礎物理界同行合作，努力促進(jìn)我國空間基礎物理的發(fā)展。國家微重力實(shí)驗室近年來(lái)承擔了多項國家重大項目，已完成國家載人航天工程、科學(xué)實(shí)驗衛星等空間實(shí)驗項目11項，并承擔中國科學(xué)院知識創(chuàng )新工程和大型裝備等項目20余項、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項目20余項以及其它研究項目5項，項目經(jīng)費合計約1.4億元。在國家重大需求層面，“十一?五”期間國家微重力實(shí)驗室已有5項空間實(shí)驗列入國家載人航天工程(第二期)、7項空間實(shí)驗列入實(shí)踐10號衛星計劃、2項空間實(shí)驗列入中俄合作利用國際空間站俄國艙的有人操作實(shí)驗計劃、3項空間實(shí)驗列入微重力火箭計劃。

國家微重力實(shí)驗室現有固定資產(chǎn)7585萬(wàn)元，引進(jìn)和自行研制了儀器設備百余臺(套)，具備較完善的開(kāi)展微重力科學(xué)地基研究的實(shí)驗體系，包括開(kāi)展微重力流體物理研究的流體動(dòng)力學(xué)、分散體系、光學(xué)診斷和測試、三維顯微粒子圖象測速等實(shí)驗系統；開(kāi)展微重力熱科學(xué)研究的兩相流、微重力燃燒等實(shí)驗系統；開(kāi)展空間材料科學(xué)研究的半導體晶體、氣相外延、金屬合金成核過(guò)冷、非透明介質(zhì)、透明晶體生長(cháng)等實(shí)驗系統；開(kāi)展生物力學(xué)和空間生物技術(shù)研究的蛋白質(zhì)晶體生長(cháng)、空間細胞生長(cháng)和組織培養、連續流電泳、微管吸吮、激光顯微光鑷、原子力顯微等實(shí)驗系統；以及開(kāi)展納米生物技術(shù)研究的光學(xué)橢偏成像系統等，共同組成了國家微重力實(shí)驗室的研究平臺。作為微重力科學(xué)用戶(hù)支持中心，國家微重力實(shí)驗室建成了可進(jìn)行短時(shí)微重力地面實(shí)驗的百米落塔設施，其中落艙系統的微重力時(shí)間為3.5 s、微重力水平可達10-5×g量級，落管系統的微重力時(shí)間為3.26 s，微重力水平優(yōu)于10-6×g, 可為用戶(hù)提供各種技術(shù)支持和服務(wù)。