作者：中國(guó)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(guó)首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室“天宮二號(hào)”發(fā)射成功。目前，正在中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的遠(yuǎn)程控制下，有條不紊地在軌開(kāi)展各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究以及新技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。

“天宮二號(hào)”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(jìn)入”空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各類復(fù)雜而繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作呢?這些體現(xiàn)國(guó)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)——太空實(shí)驗(yàn)的“操作臺(tái)”

為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)家不上太空就能做成太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)、暢游宇宙的夢(mèng)想，空間應(yīng)用中心的科技人員研制了我國(guó)首個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的微重力流體遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，科學(xué)家通過(guò)佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)立體頭盔或沉浸式CAVE環(huán)境在太空和艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)“漫游”，多尺度全方位觀察液橋?qū)嶒?yàn)狀態(tài)，通過(guò)鼠標(biāo)、語(yǔ)音交互和手勢(shì)運(yùn)動(dòng)等自然便捷地控制液橋的“高矮”、“胖瘦”、“冷熱”，通過(guò)流場(chǎng)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的連續(xù)跟蹤和推演評(píng)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(shí)、人機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置和流體內(nèi)部的物理特性，科學(xué)家們通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體感等多種交互方式進(jìn)行精細(xì)控制，洞察和感知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的科學(xué)機(jī)理，有效促進(jìn)了空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新的跨越。

遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作模擬圖

該平臺(tái)首次應(yīng)用在天宮二號(hào)液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)中，在空間實(shí)驗(yàn)室搭建了一座“液體的橋”?？茖W(xué)家們利用這一平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的天地交互操作，使得空間液橋?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)了：過(guò)程便于控制、現(xiàn)象易于觀察、效果易于達(dá)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(hào)液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖

液橋聽(tīng)上去很神秘，但其實(shí)在日常生活中十分常見(jiàn)，比如把兩個(gè)手指沾上水，合攏再拉開(kāi)一點(diǎn)距離，兩個(gè)手指之間的小液柱就是液橋。之所以被稱為液橋，是因?yàn)椤皹颉弊钟羞B接兩地的含義，液橋就是連接著兩個(gè)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(shí)候，一端熱一端冷，在液體表面張力的作用下，會(huì)產(chǎn)生熱毛細(xì)流動(dòng)。

表面張力驅(qū)動(dòng)的液橋熱毛細(xì)對(duì)流機(jī)理

在地面上，浮力對(duì)流是自然對(duì)流的主要形式，流體受熱膨脹后，就會(huì)往上?。欢黧w冷卻縮小后，就會(huì)下沉，自然對(duì)流就形成了。產(chǎn)生浮力對(duì)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(duì)流消失，熱毛細(xì)流動(dòng)開(kāi)始主導(dǎo)自然對(duì)流。

由于地面浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細(xì)效應(yīng)曾經(jīng)一度被忽視?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)以為，“只要沒(méi)有重力，對(duì)流就會(huì)消失”。那么，在太空中將是理想的無(wú)對(duì)流環(huán)境，如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會(huì)得到高純度的單晶。

而事實(shí)上，在失重的太空環(huán)境下，熱毛細(xì)對(duì)流產(chǎn)生的震蕩同樣會(huì)影響著晶體的質(zhì)量，造成晶體缺陷。因此天宮二號(hào)液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)就是：查明空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)理。

天宮二號(hào)上的“液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱”

在未來(lái)，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(xì)對(duì)流的奧秘，為完善空間晶體生長(zhǎng)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(lái)空間站應(yīng)用中將大展身手，從而成為支持太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)最有效的實(shí)施方式。期待遙科學(xué)技術(shù)這個(gè)“黑科技”為我們帶來(lái)更加豐碩的科學(xué)成果。