作者：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心

2016年9月15日，我國首個空間實驗室“天宮二號”發(fā)射成功。目前，正在中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的遠程控制下，有條不紊地在軌開展各項科學(xué)實驗，涉及微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學(xué)研究以及新技術(shù)試驗等多個領(lǐng)域。

“天宮二號”距離地面300多公里，我們不禁好奇，科學(xué)家們是如何跨越空間障礙，“進入”空間實驗室進行各類復(fù)雜而繁瑣的實驗操作呢?這些體現(xiàn)國際科學(xué)前沿和高新技術(shù)發(fā)展方向的空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)都是如何完成的呢？今天大院er帶你一探究竟！

遙科學(xué)實驗平臺——太空實驗的“操作臺”

為了實現(xiàn)科學(xué)家不上太空就能做成太空科學(xué)實驗、暢游宇宙的夢想，空間應(yīng)用中心的科技人員研制了我國首個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的微重力流體遙科學(xué)實驗平臺，科學(xué)家通過佩戴虛擬現(xiàn)實立體頭盔或沉浸式CAVE環(huán)境在太空和艙內(nèi)實驗環(huán)境內(nèi)“漫游”，多尺度全方位觀察液橋?qū)嶒灎顟B(tài)，通過鼠標(biāo)、語音交互和手勢運動等自然便捷地控制液橋的“高矮”、“胖瘦”、“冷熱”，通過流場虛擬仿真實現(xiàn)了實驗全過程的連續(xù)跟蹤和推演評估，為科學(xué)家提供更智能、更快速的分析和決策方式。

由于結(jié)合了虛擬現(xiàn)實、人機交互、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，與傳統(tǒng)方式相比，這些“黑科技”更加直觀地呈現(xiàn)了實驗裝置和流體內(nèi)部的物理特性，科學(xué)家們通過視覺、聽覺、體感等多種交互方式進行精細控制，洞察和感知實驗數(shù)據(jù)背后的科學(xué)機理，有效促進了空間科學(xué)實驗實現(xiàn)新的跨越。

遙科學(xué)實驗操作模擬圖

該平臺首次應(yīng)用在天宮二號液橋熱毛細對流實驗中，在空間實驗室搭建了一座“液體的橋”?？茖W(xué)家們利用這一平臺進行實時的天地交互操作，使得空間液橋?qū)嶒瀸崿F(xiàn)了：過程便于控制、現(xiàn)象易于觀察、效果易于達到，極大地提高了太空科學(xué)任務(wù)的效率與質(zhì)量。

天宮二號液橋熱毛細對流實驗?zāi)M圖

液橋聽上去很神秘，但其實在日常生活中十分常見，比如把兩個手指沾上水，合攏再拉開一點距離，兩個手指之間的小液柱就是液橋。之所以被稱為液橋，是因為“橋”字有連接兩地的含義，液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體。

當(dāng)液橋兩端的溫度不一樣的時候，一端熱一端冷，在液體表面張力的作用下，會產(chǎn)生熱毛細流動。

表面張力驅(qū)動的液橋熱毛細對流機理

在地面上，浮力對流是自然對流的主要形式，流體受熱膨脹后，就會往上?。欢黧w冷卻縮小后，就會下沉，自然對流就形成了。產(chǎn)生浮力對流的根本原因是重力作用，而在空間微重力環(huán)境下，浮力對流消失，熱毛細流動開始主導(dǎo)自然對流。

由于地面浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細效應(yīng)曾經(jīng)一度被忽視。科學(xué)家們曾經(jīng)以為，“只要沒有重力，對流就會消失”。那么，在太空中將是理想的無對流環(huán)境，如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會得到高純度的單晶。

而事實上，在失重的太空環(huán)境下，熱毛細對流產(chǎn)生的震蕩同樣會影響著晶體的質(zhì)量，造成晶體缺陷。因此天宮二號液橋熱毛細對流實驗的目標(biāo)就是：查明空間微重力環(huán)境下熱毛細對流的失穩(wěn)機理。

天宮二號上的“液橋熱毛細對流實驗箱”

在未來，這些研究成果和數(shù)據(jù)，將繼續(xù)幫助科學(xué)家深入探究熱毛細對流的奧秘，為完善空間晶體生長工藝奠定基礎(chǔ)。

空間遙科學(xué)技術(shù)融合交叉了眾多學(xué)科方向，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在未來空間站應(yīng)用中將大展身手，從而成為支持太空科學(xué)實驗最有效的實施方式。期待遙科學(xué)技術(shù)這個“黑科技”為我們帶來更加豐碩的科學(xué)成果。