上海硅酸盐研究所副研究员 刘 岩
20世纪人类最伟大的创举之一是开拓了"空间"这一人类活动的新领域。1957年10月4日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，首次摆脱地球引力场的束缚，冲破大气层的阻碍，实现了飞天的梦想。1961年4月12日，前苏联宇航员尤里·加加林乘"东方1号"宇宙飞船成功地进入太空轨道，开创了载人航天的新纪元。1969年7月21日，美国宇航员阿姆斯特朗走出阿波罗11号飞船的登月舱，成为人类踏上月球的第一人。随着空间科学的飞速发展，为人类增添了大量新知识，同时也改变了过去基于地面研究所形成的许多传统观念，使空间这一特殊环境，如微重力、辐射、超净和超高真空等，都成为人类社会的宝贵财富。空间资源是全人类的共同财富，40多年来，人们一直致力于利用空间资源为人类服务的研究，微重力材料科学便是空间科学中重要的研究领域之一。
图1 空间多样品材料科学试验装置(欧空局)
通常，将一个物体围绕地球进行轨道飞行，重力与离心力相平衡时出现的状态称为微重力状态。人们对微重力概念有个长期认识的过程。最初，人们认为物体围绕地球进行轨道飞行时达到了无重力或零重力状态。其实，飞行器在空间并不能达到真正的零重力状态，飞行器姿态的调整，仪器设备的运行，任何微细机械扰动都将造成重力加速度的改变，总有某种干扰因素导致"微小重力"的存在，不可能出现绝对的零重力环境，因此，称其为"微重力"环境更为确切些。
目前已经组装成形的国际空间站有16个国家参与，备有美国、欧洲和俄罗斯等实验舱，可以进行多种科学实验。它所提供的重量、功耗及其他条件，基本满足了开展微重力科学研究的需要。空间微重力水平因飞行器的种类不同存在差异，一般无人飞行器的微重力水平较有人飞行器高一到二个数量级。由于国际空间站的实验平台采用了多项减震措施，减少了重力跳动的干扰，舱内可以达到的微重力水平约为10-4~10-6g(g是在地球上的标准重力加速度)，即为地球重力的万分之一至百万分之一。
在空间微重力环境下材料都会有哪些特殊的表现呢？我们知道，地面上流体中的粒子会发生沉降，而密度不同的两种流体也要发生浮起与沉降现象。以水和油的混合物为例，在地面重力场中，油总是浮在上面，而水总是沉降在底部。而在空间微重力条件下，水和油、乃至多种比重不同的物质都可以在一起均匀混合、"和平共处"，几乎没有地面上的对流、沉淀和静水压等效应，这对改进材料的制备加工工艺和新材料的开发都十分有利。
图2 空间无容器电磁悬浮材料试验装置(美国)
1969年，前苏联在联盟-6号飞船上首次搭载了名为"火神"的空间炉，进行了金属焊接和合金熔化、结晶实验，是空间材料科学真正上天实验的开始。从材料研究的角度，微重力环境是一个几乎无对流、无沉降和无静水压作用的特殊环境。利用这种特殊条件，可以进行晶体生长、合金凝固、陶瓷烧结、特种玻璃和复合材料制备研究，获得地面上无法得到的晶格缺陷少、组分均匀、结构完整和性能优良的各类材料。同时，加深对材料科学相关规律的认识和理解，发现可适用于指导地面材料加工过程的新工艺、新方法，为形成新的高技术产业提供依据。微重力科学研究是以开发空间资源为背景的，长远地看，人们有可能建立起一定规模产业，生产急需而地面无法得到的产品，但在可预见的未来，人们更加关注的是如何用微重力科学研究成果来指导地面生产工艺。
图3 空间材料试验样品(欧空局)
自从1970年4月21日我国成功发射了第一颗人造地球卫星以来，就不断探索利用空间资源开展各项空间科学研究。1987年，我国首次利用返回式卫星进行了空间材料科学实验，虽起步较晚，但历经20多年的不懈努力，现在无论是在空间材料加工装置制造，还是在空间材料制备研究领域，都已取得与国际同行平等对话的地位。
1999年11月20日，我国成功地把中国独立研制的第一艘试验飞船"神舟1号"送上太空，成为继俄、美之后第三个掌握载人航天技术的国家。此后，分别于2001年1月10日和2002年3月25日，我国又圆满完成了"神舟2号"和"神舟3号"两次无人飞船的空间飞行试验。在这三艘无人飞船上都搭载有"多工位晶体生长炉"，它是专门进行空间微重力材料科学研究的试验装置，由中国科学院上海硅酸盐研究所总负责，联合中国科学院空间科学与应用研究中心、航天科技集团五院510所的技术力量共同完成的。该装置可在一次飞行任务中完成包括氧化物单晶、半导体电子材料、金属及合金、复合材料以及非晶材料在内的多项空间科学实验，已完成大量空间材料科学试验，取得了很多可喜的成果，为我国后续在空间实验室和空间站上开展微重力材料科学研究打下了坚实的基础。 |
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