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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(xué)實驗柜，以開展太空實驗，進(jìn)而解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。在這些實驗柜中，變重力科學(xué)實驗柜主要為科學(xué)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(xué)和生命科學(xué)現(xiàn)象。 
變重力科學(xué)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(wù)組的相關(guān)專家來為大家講解吧。 為什么要進(jìn)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(xué)家造成困擾。 例如，有這樣一個科學(xué)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(xué)家認(rèn)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(dǎo)根系向著重力的方向生長。那么，如何驗證這個假設(shè)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(xué)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(wù)于多種科學(xué)項目，允許生物、流體、燃燒等各領(lǐng)域的科學(xué)家去研究重力影響的科學(xué)機制，為重力相關(guān)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(zhuǎn)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(chǔ)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(zhuǎn)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(zhuǎn)半徑向外的離心力。只要維持旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速有關(guān)，因此只要控制轉(zhuǎn)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(jìn)行重力相關(guān)的研究課題了。 但是，想要維持一個更大的離心機的運轉(zhuǎn)，不是簡單地把一切都相應(yīng)地做大就可以了。首先，我們要考慮到這個離心機的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)計壽命達(dá)十年以上，如果讓幾個部件在一起轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jìn)的呢？的確，目前無線充電技術(shù)已經(jīng)十分普及，但是大部分無線充電技術(shù)的額定功率僅有數(shù)十瓦。但我們的變重力實驗柜中所應(yīng)用的無線傳能技術(shù)，其功率可以輕松達(dá)到300瓦以上，能量轉(zhuǎn)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(fēng)冷加液冷的二級散熱模式，并增加了第三級的半導(dǎo)體制冷，進(jìn)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(shù)。物體在旋轉(zhuǎn)時，如果重心沒有落在轉(zhuǎn)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(yán)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(shè)備上，讓輪胎高速旋轉(zhuǎn)，測出其重心和轉(zhuǎn)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(zhì)量不可能相同，放置位置也不一定對稱，整盤的質(zhì)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(diào)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(shù)，就是能夠讓離心機自行監(jiān)測自己的平衡參數(shù)，自動調(diào)節(jié)自身的配平塊，不需要人工調(diào)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(diào)節(jié)演示 此外，變重力實驗柜還采用了復(fù)雜約束下離心機一體化、模塊化設(shè)計技術(shù)，主要是基于中心驅(qū)動的大型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)高剛度、高精度的傳動、傳能、測控一體化設(shè)計技術(shù)以及實驗載荷模塊的在軌快拆機構(gòu)設(shè)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(xué)項目，只要按照標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計實驗裝置，只需要航天員拿著實驗單元進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)載荷快拆機構(gòu) 從古時起，人類就憧憬著馮虛御風(fēng)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?qū)崿F(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(shù)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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