近日，我國空間環(huán)境地面模擬裝置正式通過國家驗收。它被形象地比喻為“地面空間站”，是我國航天領(lǐng)域首個大科學(xué)裝置?？v觀國內(nèi)外航天模擬設(shè)施，它們可以模擬哪些空間環(huán)境因素?又應(yīng)用了哪些先進技術(shù)和特殊設(shè)計?隨著新技術(shù)新方案取得進展，它們將具備怎樣的應(yīng)用前景呢?

人造真空用處大

據(jù)公開資料顯示，我國的“地面空間站”能夠綜合模擬真空、高低溫、帶電粒子、電磁輻射、空間粉塵、等離子體、弱磁場、中性氣體、微重力等九大類空間環(huán)境因素。其中，真空模擬有助于加高效便捷地開展航天科研活動。

美國航天器在模擬艙室內(nèi)測試

描述太空環(huán)境往往使用真空度指標，也就是處于真空狀態(tài)下的氣體稀薄程度。在近地空間內(nèi)，高度越高，真空度越顯著：距離地面100公里處，真空度為4×10-2帕;距離地面300公里處，真空度為4×10-5帕;距離3000公里時，真空度可達4×10-11帕。而航天器的運行軌道真空度范圍一般在10-4～10-12帕之間。

大多數(shù)“地面空間站”都配備了真空艙室，工程上一般用10-3帕的真空度來模擬空間環(huán)境。這種真空度下，輻射傳熱已是空間傳熱的主要形式，對流與氣體熱傳導(dǎo)可以忽略，能夠較為真實地模擬航天器所處環(huán)境的熱交換效應(yīng)。

目前，全球最大的真空艙室SPF位于美國宇航局格倫研究中心。它的外部總高約37米，直徑30米，僅是雙重密封大門的高和寬就分別有15米，可吞吐重達300噸的設(shè)備，足以塞進一艘組裝完畢的飛船。借助鼓風(fēng)機和轉(zhuǎn)子活塞真空泵，其測試室內(nèi)的真空度達到5×10-4帕，數(shù)十年來支持了一系列航天器研制。比如，2013年SpaceX公司曾利用SPF進行全尺寸火箭整流罩分離測試。

如果真空艙室容積稍小，有望達到更顯著的真空度。我國的KM7大型空間環(huán)境模擬器于2009年研制成功，有效試驗空間是一個直徑8.5米、深9米的“臥倒圓柱”。它的極限壓低于6.5×10-5帕，曾在衛(wèi)星真空熱試驗中做出很大貢獻。

不怕冷黑和熱流

其實，宇宙空間是一個“冷黑空間”，航天器運行中散發(fā)的熱量一般被充分吸收，不再返回。在“地面空間站”中，通常設(shè)置鋁、銅或不銹鋼制成的管板結(jié)構(gòu)，內(nèi)通低溫液氮，模擬“冷”環(huán)境，液氮管板表面涂覆特殊黑漆，模擬“黑”環(huán)境，從而吸收航天器的絕大部分輻射熱量。這種模擬“冷黑空間”的結(jié)構(gòu)也稱為熱沉，模擬誤差僅為1%左右。

“地面空間站”開展模擬熱真空試驗

航天器在軌飛行過程中，由于沒有大氣層保護，艙體表面處于陽照陰影交變狀態(tài)。在陽光直射下，空間站表面溫度可達150攝氏度以上，在背陽面則有可能低于零下100攝氏度。

為了盡可能真實地模擬航天器工作環(huán)境，“地面空間站”通常都安裝了“人造太陽”，也就是一個高溫輻射體，通過太陽模擬器或紅外模擬器來模擬空間外熱流環(huán)境。前者適合外形和表面材料形狀復(fù)雜的試件，后者則適合表面材料形狀單一的試件。

由于“冷黑環(huán)境”對航天器和艙外航天服的熱性能影響極大，科研人員必須在模擬環(huán)境中進行充分的真空熱試驗。比如，我國KM8“地面空間站”對夢天試驗艙進行過考核，就是借助紅外加熱籠來模擬空間外熱流，將電阻片作為輻射源，通過控制電流來改變電阻片溫度，進而實現(xiàn)其內(nèi)部環(huán)境溫度交替變化。

如今，航天器的真空熱試驗已發(fā)展得比較成熟。早年間，我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”就是在KM2空間環(huán)境模擬器內(nèi)完成了整星真空熱試驗。后來，KM6大型空間模擬器圓滿完成了神舟一號至神舟六號載人飛船、嫦娥一號月球探測器等真空熱試驗任務(wù)。美國宇航局空間環(huán)境模擬實驗室則完成了“阿波羅計劃”諸多航天器和航天服、“天空實驗室”配套望遠鏡系統(tǒng)、航天飛機及眾多衛(wèi)星的真空熱試驗。

綜合模擬當(dāng)先鋒

隨著月球探測、火星探測等宏偉任務(wù)提出，航天器面臨著更嚴峻的環(huán)境考驗，包括原子氧、空間粉塵、輻照、磁場變化等?！暗孛婵臻g站”可以幫助航天器“提前”接受考驗，順便進行一些前沿探索性質(zhì)的科學(xué)實驗。

我國“地面空間站”中的月塵艙

鮮為人知的是，從地球上發(fā)射的航天器會存在一定的“剩磁”現(xiàn)象，與地磁場相互作用，進而干擾航天器的軌道和姿態(tài)，某些科學(xué)探測衛(wèi)星的“剩磁”還會對星載探測儀器產(chǎn)生不利影響。因此，科研人員有必要開展磁試驗，在零磁場環(huán)境中測量航天器的“剩磁”指標，并通過各種手段盡可能降低其干擾效果。

“地面空間站”一般借助線圈電流產(chǎn)生與地磁場強度相等、方向相反的均勻磁場，兩者相互抵消，就可以獲得零磁場環(huán)境。我國新建成的空間環(huán)境地面模擬裝置擁有3個足球場那么大的磁場環(huán)境模擬實驗室，由射頻屏蔽層、主動補償線圈組和7層電磁屏蔽層構(gòu)成了類似套娃的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可實現(xiàn)0.2納特以下的零磁場環(huán)境。

空間輻照也是“地面空間站”的重要模擬因素，包括宇宙射線、地球輻射帶、太陽粒子事件等。隨著航天器敏感表面增多、微電子線路集成度提高，對空間粒子輻照環(huán)境也越來越敏感。

一般來說，“地面空間站”可以利用高能粒子產(chǎn)生模擬輻照源。比如，歐洲空間技術(shù)研究中心的空間低能綜合輻照試驗設(shè)備利用電子撞擊高原子序數(shù)材料(如鎢、銅等)，產(chǎn)生X射線，進而模擬空間帶電粒子的電離輻射效應(yīng)。

此外，有些“地面空間站”能夠同時模擬多個空間環(huán)境因素，實現(xiàn)“一舉多得”。以我國空間環(huán)境地面模擬裝置的月塵艙為例，它屬于大型月球多因素極端環(huán)境模擬器，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)月塵充正電和負電。月塵艙內(nèi)有較大的真空艙，其外側(cè)連接電子槍，可以產(chǎn)生電子束，使月塵帶上負電;正面蜂窩狀布置了36盞氘燈，用于產(chǎn)生紫外線，使月塵帶上較低電壓的正電。通過振動篩動作，科研人員能夠逼真地模擬月球表面揚塵現(xiàn)象，助力研制月面探測設(shè)備。

微重力未雨綢繆

太空失重環(huán)境對航天員而言是巨大的挑戰(zhàn)，有必要未雨綢繆，早做準備。除了借助飛機拋物線飛行來獲得短暫的微重力體驗外，科研人員和航天員可以利用“地面空間站”的落塔、水浮等方法，形成人造微重力環(huán)境。

所謂落塔法，就是建造高塔，利用自由落體原理來模擬微重力，但實驗對象的尺寸有一定限制。水浮法則是利用水的浮力來抵消空間飛行器的重力，通過調(diào)整漂浮器承受的浮力，使試驗?zāi)繕说南蛏纤×εc向下重力實現(xiàn)平衡，進而模擬微重力環(huán)境開展研究。

國外航天員在中性浮力水槽內(nèi)訓(xùn)練

航天員可以在微重力的“地面空間站”內(nèi)部體驗近似失重的漂浮感，掌握在失重環(huán)境中穿戴航天服時的人體運動協(xié)調(diào)性，還能模擬完成出艙維修、運送貨物等任務(wù)。

此外，“地面空間站”還能進行一些大型空間結(jié)構(gòu)對接和組裝試驗，幫助大型機構(gòu)在微重力環(huán)境下開展測試，保障空間結(jié)構(gòu)和組裝程序的安全可靠性。比如，航天員可以借助中性浮力模擬試驗裝置，開展太陽電池帆板展開試驗，并針對航天器飛行期間可能發(fā)生的意外，制定相應(yīng)的故障排除程序等。

總之，“地面空間站”相當(dāng)于將空間站和太空實驗室的很多功能“搬”到地面上，以便完成許多昔日人類抵達太空才能進行的實驗。依靠它，科學(xué)家開展空間實驗將不再“難于登天”，航天員可以在這里“提前”體驗和適應(yīng)月球、火星等復(fù)雜陌生的環(huán)境，從而助力太空探索邁上新臺階。這一技術(shù)未來還將在腦科學(xué)、生命健康、高端儀器、輻照育種等領(lǐng)域收獲重要成果。

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