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問天實驗艙的成功發(fā)射，并與天和核心艙成功對接，為天宮空間站送來了許多科學實驗柜，以開展太空實驗，進而解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應用問題。在這些實驗柜中，變重力科學實驗柜主要為科學實驗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、化學和生命科學現(xiàn)象。 
變重力科學實驗柜示意圖 變重力研究有什么重要意義？這一實驗柜是如何實現(xiàn)改變重力的呢？請任務組的相關專家來為大家講解吧。 為什么要進行變重力研究？ 在地球表面的物體都會受到重力的作用，蘋果就是被重力拉扯而砸到牛頓的腦袋上的。重力有時很有用，但有時也會給科學家造成困擾。 例如，有這樣一個科學問題：為什么我們無論以什么朝向播種種子，種子的根都會向下長，而莖都會向上長呢？經(jīng)過研究，科學家認為根系的生長表現(xiàn)出向重力性，也就是根系中的一些生理過程能夠誘導根系向著重力的方向生長。那么，如何驗證這個假設呢？要是能夠找一個沒有重力的地方試著種一下植物就好了，可是地球上是沒有這種地方的。雖然科學家做了一些能夠在地面上模擬微重力的實驗裝置，但是想要長期觀察植物在絕對無重力的環(huán)境下生長，太空中的空間站就成了最佳實驗地點。 
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受到地球重力的干擾，不但費時費力，持續(xù)時間還很短，不適合開展長期的觀察實驗。而在太空的零重力環(huán)境下，我們可以相對容易而持久地創(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劃提供試驗條件。 因此，變重力實驗柜作為一個公共實驗平臺，可以服務于多種科學項目，允許生物、流體、燃燒等各領域的科學家去研究重力影響的科學機制，為重力相關的研究提供外部平臺環(huán)境。 如何實現(xiàn)變重力？原來是靠離心機啊 在圍繞地球運轉的空間站中，物體處于失重狀態(tài)，這就是我們常說的太空零重力。在這個基礎上，如何才能向物體施加可變的重力呢？ 變重力實驗柜的主要裝置，是兩套900毫米直徑的離心機。 
離心機旋轉的過程中，因為慣性作用，實驗載荷會有一個向外飛出的趨勢，可以等效為物體受到一個沿著旋轉半徑向外的離心力。只要維持旋轉，這個等效力就會一直存在，我們就用這個力來模擬物體受到的重力。這一“模擬重力”的大小與離心機的轉速有關，因此只要控制轉速，就可以實現(xiàn)變重力啦。 變重力實驗柜都有哪些“黑科技”？ 與同類變重力裝置相比，本次發(fā)射搭載的變重力實驗柜的離心機是目前在軌運行中最大的，這意味著可以同時容納更多、更大的實驗對象來參與實驗，可以大規(guī)模地進行重力相關的研究課題了。 但是，想要維持一個更大的離心機的運轉，不是簡單地把一切都相應地做大就可以了。首先，我們要考慮到這個離心機的運轉時間可能非常長，例如植物生長需要幾個月的時間，中途必須一直維持離心機的穩(wěn)定運轉才可以持續(xù)模擬重力。這樣一來，機器就需要想辦法盡量減少磨損。 因此，實驗柜的黑科技之一，就是無線傳能系統(tǒng)。傳統(tǒng)的離心機是采用導電滑環(huán)的方式來傳遞能量的，有物理接觸，因此就有磨損。實驗柜的設計壽命達十年以上，如果讓幾個部件在一起轉著磨十年，鐵杵磨成針的故事就不再是傳說了。采用新的無線傳能工作方式后，就可以把這種機械磨損降到忽略不計了。 
無線傳能結構及能量流圖 有的小伙伴可能要問了：我的手機就能無線充電啊，這有什么先進的呢？的確，目前無線充電技術已經(jīng)十分普及，但是大部分無線充電技術的額定功率僅有數(shù)十瓦。但我們的變重力實驗柜中所應用的無線傳能技術，其功率可以輕松達到300瓦以上，能量轉換效率也超過80%。如此高的功率帶來的最大問題就是散熱，為此，實驗柜專門配備了一套熱控系統(tǒng)，將單純的純液冷散熱升級為風冷加液冷的二級散熱模式，并增加了第三級的半導體制冷，進一步降溫。 除此之外，變重力實驗柜還實現(xiàn)了在軌自動平衡技術。物體在旋轉時，如果重心沒有落在轉軸上，就會出現(xiàn)偏心運動的現(xiàn)象。偏心不但會使摩擦加劇，嚴重時還會有毀壞離心機的危險。就像汽車輪胎補胎之后，都要把輪胎放在一個設備上，讓輪胎高速旋轉，測出其重心和轉軸的偏差，然后采用配重的方式重新使其平衡。 實驗柜在裝載實驗載荷時，各載荷的質量不可能相同，放置位置也不一定對稱，整盤的質心就會偏離中心，另外實驗載荷里的樣品在實驗過程中可能發(fā)生形態(tài)的變化，例如，植物逐漸長大，也會使離心機變得不再平衡。因此，必須能夠及時調整離心機的配重，使其重新回到平衡狀態(tài)。在軌自動平衡技術，就是能夠讓離心機自行監(jiān)測自己的平衡參數(shù)，自動調節(jié)自身的配平塊，不需要人工調節(jié)，也不需要停機，隨時隨地保證離心機的平衡狀態(tài)，從而減少不必要的摩擦損耗，提高重力控制的精度。 
在軌自動平衡調節(jié)演示 此外，變重力實驗柜還采用了復雜約束下離心機一體化、模塊化設計技術，主要是基于中心驅動的大型旋轉機構高剛度、高精度的傳動、傳能、測控一體化設計技術以及實驗載荷模塊的在軌快拆機構設計，保證航天員在軌操作的便利可靠。無論是生物類、流體類的實驗，甚至是燃燒類的科學項目，只要按照標準接口設計實驗裝置，只需要航天員拿著實驗單元進行簡單操作，載荷的裝載就完成了，真正實現(xiàn)了即插即用。 
標準載荷快拆機構 從古時起，人類就憧憬著馮虛御風的超自然能力，而本次問天實驗艙所搭載的變重力實驗柜，不但能夠克服重力，而且能夠實現(xiàn)最多兩倍重力，相比之下，真可謂是不知道高到哪里去啦。而這一變重力實驗柜的實現(xiàn)，離不開多項新技術的突破。感謝奮戰(zhàn)在一線的科研團隊的付出，讓我們把古人腦海中的幻想變?yōu)槊利惖默F(xiàn)實。（本文圖片均由撰稿人提供）
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