模拟太空，地面空间站能做啥？

    日前，由哈尔滨工业大学和中国航天科技集团联合建造的空间环境地面模拟装置（SESRI）正式通过国家验收，这是我国首航天领域首个大科学装置，可以综合模拟真空、高低温、带电粒子、电磁辐射、空间粉尘、等离子体、弱磁场、中性气体、微重力等9大类空间环境因素，它也被形象地称为“地面空间站”。
    “地面空间站”其实就是空间环境模拟器，它能模拟宇宙空间环境，对航天器耐真空、冷黑、太阳辐射、磁场和承受高能粒子辐射、太阳风和微流星体等的能力进行试验。空间环境模拟器相当于把空间站‘搬’到地球上，许多需要抵达太空才能进行的实验，在这里就可以完成。科学家们开展空间实验将不再难于登天，航天员们还可以在这里体验和适应月球、火星等星球的表面环境。下面让我们一起来看看这些“地面空间站”都是怎么模拟空间环境的吧。

 
人造真空
    我们知道高度越高，真空度就越高：距离地面100km，真空度为4×10-2Pa；当距离地面300km，真空度为4×10-5Pa；距离3000km时，真空度就达到了4×10-11Pa。航天器运行的真空度范围一般在10-4～10-12Pa。航天器的运行轨道长期处于高真空的环境中，因此大多数“地面空间站”都有一个真空舱室。
    考虑到对整器进行试验的“地面空间站”一般体积庞大，高真空度付出的代价极大，工程上一般用10-3Pa来模拟空间的真空环境。这种真空度下，辐射传热已经是空间传热的主要形式，对流与气体热传导可以忽略，能够较为真实地模拟航天器所处真空环境的热交换效应。

 
冷黑与间外热流
    宇宙空间是一个温度为3K,吸收系数为1的冷黑空间。在这个环境中运行的航天器发出的热量不再返回，因而这种环境是理想的绝对黑体，称为冷黑环境。在“地面空间站”中，通常用铝、铜或不锈钢制成的管板结构，内通液氮来模拟“冷”，液氮管板表面涂以高吸收的黑漆，来模拟“黑”，可以吸收航天器发出的绝大部分辐射热，这种用来模拟冷黑空间的结构也称为热沉。“地面空间站”通常用低于100K的液氮和吸收率为0.9以上的热沉来模拟空间冷黑环境，这种模拟的误差仅为1%左右。
    航天器在轨飞行过程中，由于没有大气层的保护，航天器舱体表面处于阳照阴影交变状态。在太阳光直射下，空间站表面温度最高可达150℃以上，在背阳面，温度最低可达-100℃以下。为尽可能地真实模拟航天器工作状态下的环境，“地面空间站”通常都有一个“人造太阳”，也就是一个高温辐射体，通过太阳模拟器或红外模拟器来模拟空间外热流环境。前者适合外形和表面材料形状复杂的试件，后者则适合表面材料形状单一的试件。比如我国对梦天试验舱进行考核的“地面空间站”KM8，就是通过红外加热笼来模拟的空间外热流，这种红外模拟器将电阻片作为辐射源，通过控制所加电流改变电阻片的温度，就能够实现内部环境温度的交替变化。
    冷黑环境对航天器和舱外航天服的热性能有极大的影响，研制航天器和舱外航天服这些产品，必须在模拟的冷黑环境中进行充分的真空热试验。现如今航天器的真空热试验已经发展得比较成熟，我国的第一颗人造卫星——“东方红一号”就是在KM2空间环境模拟器内完成的整星真空热试验。KM6大型空间模拟器则圆满完成了“神舟一号”到“神舟六号”载人飞船、“嫦娥一号”月球探测卫星等大型航天器的真空热试验任务。

 
综合环境模拟
    面向月球探测、火星探测等新的需求，航天器将面临新的环境考验，如原子氧、空间粉尘、辐照、磁场变化等，而“地面空间站”能够让这些航天器提前“承受考验”，还能进行一些前沿探索的科学实验。
    由于地球存在磁场，从地球上发射的航天器也会存在一定的剩磁，其与地磁场相互作用，会干扰航天器的轨道和姿态。科学探测卫星的剩磁还会对星载探测仪器产生影响。磁试验就是在零磁场环境中测量航天器的剩磁矩及其周围的剩磁场，并通过各种手段尽可能降低航天器的剩磁矩。“地面空间站”一般采用线圈电流产生与地磁场强度相等、方向相反的均匀磁场，两者相互抵消获得零磁场环境。新建成的SESRI就有一个3个足球场那么大的磁场环境模拟实验室。它由射频屏蔽层、主动补偿线圈组和七层电磁屏蔽层构成像套娃一样的结构，在内部可以实现0.2纳特以下的零磁场环境。
    空间辐照也是一个重要的模拟因素。随着航天器敏感表面增多、微电子线路集成度提高，对空间粒子辐照环境也越来越敏感。空间辐照包括宇宙射线、地球辐射带、太阳粒子事件等等，“地面空间站”可以利用高能粒子产生的模拟辐照源来对空间辐照进行模拟。
    此外，有些“地面空间站”还能够同时模拟多个空间环境因素，实现“一举多得”。比如哈尔滨SESRI的月尘舱就是一个大型月球多因素极端环境模拟器，能够实现动态月尘充正电和负电。月尘舱里面有一个大的真空舱，左边位置外边连接了一个电子枪，它是为了产生电子束，使月尘带上负电，正面蜂窝状的就是36盏氘灯，它用于产生紫外线，使月尘带上比较低的电压的正电。上边是一个振动筛，能够模拟月球表面粉尘的扬尘现象。

 
微重力模拟
    太空的失重环境对航天员来讲是一项巨大的挑战，在地面除了可以通过飞机抛物线飞行获得微重力环境，地面空间站也能通过落塔、水浮等形成人造微重力环境。落塔法是通过建造高塔，并利用自由落体的原理来模拟微重力，但对实验对象的尺寸有一定限制。而水浮法就是利用水的浮力来抵消空间飞行器重力，通过调整装置来调整漂浮器的浮力，使得试验目标所受向上的水浮力与向下的重力平衡，进而对微重力进行模拟。
    宇航员可以在微重力的“地面空间站”中体会失重情况下的漂浮感，掌握在失重情况下穿航天服的人体运动的协调性，模拟执出舱活动、运送货物等太空任务。此外，“地面空间站”还能进行一些大型空间结构的对接和组装试验，以及大型机构在微重力环境下的展开实验，从而保证了空间结构和组装程序的安全可靠，比如可以利用中性浮力模拟试验设备开展太阳电池帆板的展开试验、针对航天器飞行期间可能发生的意外制定相应的故障排除程序等等。

 
    众多的“地面空间站”见证了航天事业的蓬勃发展，助力了人类太空探索迈上新台阶，也将在在脑科学、生命健康、高端仪器、辐照育种等航天延伸领域发挥重要作用。