1、精選公文范文空間的物理學各位讀友大家好，此文檔由網絡收集而來，歡迎您下載，謝謝1引言當一個空間飛行器環繞地球以第一 宇宙速度自主飛行時，我們可以選擇一個 （局部）慣性參考系,其原點位于空間飛行 器的質心位置.如果不考慮大氣阻力、光 輻射壓力、質心偏離引起的各種擾動力, 則空間飛行器中物體受到的地球引力與 運動離心力抵消,物體處于“失重”狀態， 或者說物體處于微重力水平中.所謂“微 重力”是指該處的有效重力水平為地球 表面重力水平的10-6 .在實際的繞地球飛 行器中，有效重力水平與頻率相關，低頻 時達到10-3，高頻時優于10-6 .除了地面 的落塔、拋物線飛行的失重飛機和可達 十幾分鐘的微重

2、力火箭外,用于微重力實 驗的空間飛行器有返回式衛星和不返回 衛星、載人飛船、航天飛機和空間站.各 種載人空間飛行器不可避免人的干擾，飛精選公文范文 行器中的有效重力很難達到微重力水平; 而驗證引力理論的高分辨率空間實驗需 要非常低的飛（femto,亳微微）重力至阿 （atto,微微微）重力環境，一般需要發射專 門的基礎物理衛星.隨著載人空間活動的發展，人們需要 進一步認識微重力環境中的物質運動規 律，從而發展了微小重力這種極端環境下 的學術領域微重力科學.在微重力環 境中,地球重力的影響極大地減弱，控制 地面過程的浮力對流、沉淀和分層以及 由重力引起的靜壓梯度都極大地降低，表 面張力和潤濕等作

3、用變得突出.從上世紀 七八十年代以來，微重力科學主要研究微 重力流體物理、微重力燃燒、空間材料 科學和空間生物技術.近十余年來，微重 力條件提供的高精度物理環境吸引了一 批理論物理學家，他們希望利用空間的微 重力環境能更好地檢驗廣義相對論和引 力理論以及低溫原子物理和低溫凝聚態 物理的許多基礎物理前沿問題.這樣就形 成了微重力科學的一個新領域空間精選公文范文 基礎物理.近來,人們常常把這些微重力 科學的領域統稱為空間的物理學,它是利 用微重力環境來研究物理學規律,以區別 于在地面重力環境中的物理學.要指出的 是,中文的“空間的物理學”和“空間物理” 是兩個不同的概念，后者主要研究太陽系 等離子

4、體的運動規律和行星科學,而不涉 及基礎物理的前沿問題.2空間基礎物理廣義相對論驗證和引力理論1引力質量mg和慣性質量mi相等的 (弱)等效原理是廣義相對論愛因斯坦強 等效原理假設的基礎12.有文獻記載的 弱等效原理驗證始于牛頓的擺實 驗,Eotvos的扭稱實驗更為精確；現代的 月-地激光測距實驗則檢驗了強等效原 理12.到目前為止12,弱等效原理的實 驗精度 n=2 I mg-mi | /(mg+mi)已達 10-13,在地基實驗中已再難提高.現在的 一些引力理論認為，將測量精度提高到 10-15以上有可能揭示廣義相對論的問 題,具有很大的學術價值，這只能在空間 精選公文范文3精選公文范文 微

5、重力條件下才能實現2.國際上蘊釀 多年的“等效原理的衛星檢驗(STEP)計 劃，試圖將弱等效原理的實驗精度提高到 計劃一直沒有獲得美國的立項經費支持, 現在的立項經費就更加困難了.目前歐洲 一些國家正在爭取安排MiniSTEP計劃, 其實驗精度為10-15;法國的小型衛星 (MicroScope)計劃于2010年發射,擬在 10-15精度上檢驗弱等效原理13.引力 探測-乙(GravityProbe-B,GP-B)計劃是美 國空間局主持的計劃，由美國斯坦福大學 GP-B小組負責.該計劃的主要任務是驗 證廣義相對論的空間彎曲和拖曳效應，即 驗證時間和空間因地球大質量物體存在 而彎曲(測地效應),

6、和大質量物體的旋轉 拖動周圍時空結構發生扭曲(慣性系拖 曳效應).用4個旋轉球體作為陀螺儀,地 球引力拖曳會影響球體的轉軸.用飛馬星 座中的一顆恒星校準陀螺自旋軸的方向, 用望遠鏡測量“測地效應”.通過球體轉軸 進動度，探測“慣性系拖曳效應”.GP-B衛 星于2004年4月發射,2005年9月終止 精選公文范文4精選公文范文 數據采集.原預計2006年夏公布結果，但 是,由于電場等因素影響了球體的方位， 仍需對其他影響進行研究.現正在加緊分 析真正有效的時空信號數據，并盡快宣布 觀測結論.初步結果顯示，較顯著的測地 效應從數據中完全可見，正在完全證實 廣義相對論的道路上前進；剛剛看到“慣 性系

7、拖曳效應”的端倪.實驗結果似乎驗 證了廣義相對論的理論，人們正在期待著 最后宣布的科學結果3.引力波是廣義相對論理論預言的現 象,40年前聲稱在地面測量到高頻引力 波,激起引力探測的熱潮.低頻引力波只 能在空間探測.歐洲空間局和美國空間局 聯合推進空間探測引力波的“激光干涉 全球天線”(LISA)計劃,它的探測源是108 太陽質量的黑洞,相應的頻率是10-3計 劃由相距500萬公里等邊近三角形的三 顆衛星組成，每顆衛星分別有2個懸浮的 試驗質量，位于激光器平臺的前端.引力 波傳到衛星環境中,將引起試驗質量微小 的位移，通過激光干涉方法測量小于納米 精選公文范文5精選公文范文 量級的位移,推演出

8、引力波的存在.為了 驗證LISA計劃的關鍵技術，將于2010年 發射LISAPathfinder衛星，而LISA計劃 預計在2019年以后發射.引力波探測的 成功不僅可以驗證廣義相對論理論的預 言,還將開辟引力波天，具有極大的重要 性.歐洲空間局將LISA計劃列為中、遠 期的首選項目，美國空間局“超越愛因斯 坦”計劃兩大衛星之一的“大爆炸觀測 臺”衛星也是探討測量中頻()引力波. 空間引力波探測的學術重要性由此可見 一斑.我國空間科學的發展需要研討引力 理論,研究衛星實驗的方案,大家正在集 思廣益.中國科學院理論物理研究所張元 仲及其他專家聯合提出TEPO計劃，建議 在10-16精度內驗證弱等

9、效原理和在 10-14精度內驗證新型的二維等效原理; 華中科技大學羅俊等人提出TISS計劃, 希望利用高精度空間靜電懸浮加速度計 將檢驗牛頓引力的反比定律精度提高3 個數量級.中國科學院紫金山天文臺倪維 精選公文范文6精選公文范文 斗的計劃是希望探測低頻 (5x10-65x10-3Hz)引力波；中國科學院 應用數學研究所劉潤球則關注空間的中 頻(10-2100Hz)引力波探測.這些方案 都還在蘊釀過程中.空間冷原子物理和原子鐘研究激光冷卻和玻色-愛因斯坦凝聚 (BEC)曾分別于1997年和2001年獲得諾 貝爾物理學獎，它們是當代物理學最活躍 的前沿領域之一 .BEC有時也稱為物質 的第五態，

10、它是1925年愛因斯坦預言的 物質狀態，即當氣體溫度低于其極限溫度 時，所有冷原子都聚集在最低量子能態上, 表現出玻色子的特證.作為一種新的物質 狀態，它包含著許多新的基本物理規律， 等待人們去探索，諸如物質波及其相干 性、低溫極限(10-15K)、量子相變等.另 一方面，它蘊育著許多重大的應用前景， 諸如原子激光、高精度時標等.微重力環 境可以更好地降低氣體的溫度，改進譜線 的寬度和穩定性，提高系統的信噪比，從 而為研究提供更好的條件.歐洲空間局的 精選公文范文7精選公文范文 空間BEC研究也正在安排當中.作為該領域的一個重要應用項目，空 間冷氣體原子鐘的研制受到重視地面通 過激光冷卻和冷原

11、子噴泉效應，可以使冷 氣體原子鐘的精度達到10-16 .而在微重 力環境中，則可以使冷氣體原子鐘的精度 提高一個數量級，從而在軍事和民用上產 生極大的價值.歐洲空間局和美國國家航 空和空間署都將空間冷原子鐘研究作為 國際空間站的重要研究項目.中國科學院上海光學精密機械研究 所王育竹在地基的BEC研究中取得很好 的成果4,正在準備研制空間的超高精 度冷原子微波鐘，精度可達10-17;華東師 范大學馬龍生提出進行空間高精度光鐘 研究的建議，精度可達10-18.低溫凝聚態物理凝聚態物質在極低溫條件下會表現 出許多特異的性質,成為物理學的新熱點. 微重力條件可以實現極小的靜壓梯度，可 以提供更高精度的

12、物理學實驗條件，從而 在更高精度下驗證理論和揭示新的規律.精選公文范文 美國噴氣推進實驗室在航天飛機上完成 了液氦在臨界溫度附近（納度的精度內） 的比熱奇異性實驗,初步驗證了二階相變 的重整化群理論1.科學家們提出了一 批空間實驗課題，諸如超流氦相變動力學, 連續相變的普適性，氣-液臨界點的尺度 規律,約束于不同幾何形狀和尺度的液氦 性質，相圖特殊點附近氦混合物的性質， 約束和邊界效應，非平衡相變,分形結構 和圖樣形式，臨界現象，超流體的流體動 力學,量子固體等.這些課題大都需要超 低溫條件,因而需要空間大型制冷設備， 耗資巨大.美國已暫停這方面的研究，中 國在短期內還難于安排相關的空間實驗

13、條件.3微重力流體物理微重力流體物理是微重力科學的重 要領域，它是微重力應用和工程的基礎， 人類空間探索過程中的許多難題的解決 需要借助于流體物理的研究.在基礎研究 方面，微重力環境為研究新力學體系內的 運動規律提供了極好的條件，諸如非浮力 精選公文范文9精選公文范文 的自然對流,多尺度的耦合過程，表面力 驅動的流動,失重條件下的多相流和沸騰 傳熱,以及復雜流體力學等.可以引入靜 Bond 數 Bo=pgl2/o 或動 Bond 數 Bd=pgl2/( I oT I AT)來分析重力作用和 表向張力作用的相對重要性，其中p,o,g,l 分別是流體密度、界面的表面張力、有 效重力加速度和特證尺度

14、，I OT I和AT 分別是表面張力梯度和特征溫差.Bond 數小于1時,表面張力的作用會大于重力 的作用，這要求小的尺度、或小的重力加 速度、或小的密度差,對應于小尺度過程、 微重力過程、或中性懸浮過程5.簡單流體的對流和傳熱具有界面的流體體系普遍存在于自 然科學和工程應用中.研究熱毛細對流的 規律，對于空間材料加工、生物技術、燃 燒等過程中熱毛細對流控制都有重要意 義，并對地面電子裝置的熱控制，食品加 工過程，化學工程微電子機械系統 (MEMS),薄膜等小尺度的流動問題也有 指導作用.微重力環境中流體的晃動、流 精選公文范文10精選公文范文 體的運動與固體結構的相互耦合是航天 工程中經常遇

15、到的問題.對微重力環境中 簡單流體的傳熱和傳質過程，人們主要研 究毛細系統中臨界現象和浸潤現象，熱毛 細對流的轉捩過程和振蕩機理，液滴熱毛 細遷移及相互作用規律等方面.流體管理 研究也是微重力工程中的重要課題.多相流的傳質和傳熱微重力氣/液兩相流動與傳熱研究的 主要對象包括兩相流動的流型、沸騰與 冷凝傳熱、混合與分離等現象，對我國載 人航天技術（如航天器熱與流體管理系 統、空間站與深空探測器等大型航天器 動力系統、載人航天器環控生保系統以 及空間材料制備與空間生物技術實驗等） 的發展有直接的應用價值.在微重力環境 中，重力作用被極大地抑制甚至完全消除, 更能凸顯氣、液、固相間的傳遞機制，便 于

16、更深刻地揭示其流動與傳熱機理.借助 于微重力氣液兩相流動與傳熱的深入研 究，對我國實現能源戰略需求和地面常重 力環境中的石油、化工、制造等相關技 精選公文范文11精選公文范文 術開發與應用也有重要指導意義.復雜流 體復雜流體是一種分散體系，它指的是 具有一種或幾種分散相的物質體系，也有 人稱之為軟物質.在重力條件下,復雜流 體的許多行為特征會受對流、沉降、分 層等干擾，而微重力條件則有助于研究在 地面上被重力作用所掩蓋的過程,特別是 分子間的相互作用力.微重力復雜流體研 究包括:膠體的聚集和相變研究；懸浮液 和乳狀液的穩定性研究;復雜等離子體的 結晶研究;氣溶膠的穩定性和聚集行為研 究;對顆粒

17、體系本征運動行為的研究；臨 界點現象的研究;以及材料制備、石油開 采和生物流體的相關問題研究.隨著人類 深空探測活動的展開，對不同重力場中分 散體系物質的操作與輸運的要求,以及對 其運動規律認知的需求十分迫切.空間科 學實驗不僅能夠使我們獲得新的科學知 識，而且其科學成果對于地面材料及器件 制備工藝的創新具有重要指導意義.對復 雜流動現象的研究在材料設計中起到了 精選公文范文12精選公文范文 切實的作用,如對復雜流體自組織現象的 研究成果已經應用于納米結構材料和器 件的研制.近年來，復雜流體（軟物質）的力 學和物理學,接觸角、接觸線和浸潤現象 等與物理化學密切相關的領域也越來越 受到關注6.近

18、期的空間實驗隨著國際空間站的逐步安裝，國外微 重力空間實驗的項目將逐步進行.目前己 經納入計劃中的項目有：毛細流動:不同形狀、介質、浸潤 性、流體管理；熱毛細對流；流體的梯度漲落；Soret系數測量；近臨界和超臨界流體；蒸發和冷凝過程:流體的熱管理； 沸騰傳熱；顆粒材料行為；膠體和乳劑聚集和穩定性；泡沫穩定性.“十一 五”期間,國家安排了進行空 精選公文范文13精選公文范文 間微重力科學和空間生命科學研究的 “實踐-10”衛星,將完成10項微重力科學 的空間實驗.這些實驗包括空間熱毛細對 流、具有蒸發界面的對流、顆粒材料物 理、沸騰傳熱、復雜流體的結晶等流體 物理空間實驗項目.同對，在載人航天

19、工 程第二階段中，還要安排半浮區液橋、多 液滴相互作用、復雜流體穩定性、多相 流傳熱等空間實驗項目.我國的微重力流 體物理已有較好基礎，將會做出較大貢 獻.微重力流體物理所涉及的許多過程 與微尺度流動中的過程有許多相似性,引 起人們的興趣.以中國科學院力學研究所 國家微重力實驗室為主的流體物理研究 有不少建樹，獲得國際同行的好評.4燃燒科學燃燒是一門古老的學科，而地面的燃 燒過程都是和浮力對流密切耦合在一起 的,給模型化研究增加了難度.微重力條 件下基本上沒有浮力對流的影響，為研究 燃燒的化學反應過程提供了極好的機 精選公文范文14精選公文范文 遇.1957年，東京大學Kumagai教授的落

20、塔實驗研究了乙醇棉球的微重力燃燒過 程，開創了微重力燃燒的實驗研究和利用 落塔進行微重力實驗的時代.落塔設施己 成為進行微重力燃燒實驗的有力工具.微重力燃燒涉及了地面燃燒學的主 要領域，美國國家航空和空間署將微重力 燃燒作為重要的研究方向,歐洲和日本空 間局也十分重視.幾乎地面主要的燃燒過 程都進行了空間微重力實驗，諸如預混氣 體燃燒、氣體擴散燃燒、液滴燃燒、顆 粒和粉塵燃燒等，并研究了典型氣體環境 中燃料表面的點火和傳播,流動過程與燃 燒的耦合等,發現了一些新現象，例如燃 燒的分散球狀分布等.在許多微重力燃燒 過程中，除了通常的吹熄極限，還有輻射 損失引起的冷熄極限，這只能在微重力環 境中才

21、能觀測到.微重力燃燒的研究除了 具有重大的機理意義以外，還在于:利用 對燃燒過程的深刻理解，改進地面燃燒過 程的效益;利用對燃燒產物的進一步分析, 改進地面燃燒產物污染環境.中國的能源 精選公文范文15精選公文范文 將在較長時間內以煤作為主要燃料，應加 強微重力煤燃燒的研究7.載人飛行器的安全防火是微重力燃 燒的重大課題,自從阿波羅1號飛船在地 面著火，燒死3名宇航員后,美國國家航空 和空間署就把防火安全作為載人航天的 首要問題.特別是今后的長期載人飛行任 務,使防火任務更加嚴重.需要研究典型 氣體氛圍下沿固體表面的著火條件、火 焰傳播過程和熄火條件;還要研究悶燒的 各種條件.除進行相應的模擬

22、研究外，還 要進行大量的落塔實驗，對逐個上天的非 金屬材料和某些金屬材料進行典型氣體 環境下的燃燒實驗.同時,還需要制訂載 人飛行器的防火規范.美國和俄羅斯各自 建立了他們的載人航天材料篩選和防火 規范,但載人航天器中的著火事件仍有發 生.因為載人航天器內存在著火的條件， 問題不可能完全解決.特別是在載人探索 火星等長時間飛行任務中,防火規范還是 一個需要進一步探討和研究的課題8.精選公文范文中國科學院工程熱物理研究所和力精選公文范文16精選公文范文 學研究所進行了一些微重力燃燒的研究 工作.近年來,清華大學和華中科技大學 等煤燃燒重點實驗室開始關注微重力的 煤燃燒研究.在“十一 五”期間，非

23、金屬材 科燃燒、導線的燒燃、煤的燃燒等項目 己列入空間實驗計劃，應能取得好的結 果.5材料科學空間材料科學曾是微重力科學中耗 資最大的領域，材料科學各分支領域的學 者都希望在空間微重力環境中去研究凝 固過程的機理和制備高質量的材科.空間 微重力環境是制備、研究多元均勻塊體 材料的最佳場所，其主要特征就是消除了 因重力而產生的沉降、浮力對流和靜壓 力梯度.由于浮力減弱，密度分層效應的 消失,可以使不同密度的介質均勻地混合. 由于空間微重力環境中靜壓力梯度幾乎 趨于零，因而能提供更加均勻的熱力學狀 態.這種條件更有利于研究物質的熱力學 本質和流體力學本質，探索、研制新型的 材料和發現材料的新功能.

24、目前空間材料 精選公文范文17精選公文范文 科學研究的重點是利用空間實驗的成果 改進地面材料制備技術，以及利用空間微 重力環境測量高溫熔體的輸運系數.在國 際空間站的歐洲、美國和日本壓力艙中, 都有材料研究的專柜.利用微重力環境進行材料科學研究, 不僅可以發展材料科學理論，還可以發展 新型材料和新型加工工藝.微重力環境可 以制備出一些比地面更好的高品質材料, 空間材料科學的進展及空間材料制備的 技術可以改進空間和地面的材料加工,特 別是為地面的晶體生長和鑄造技術提供 幫助.空間材料科學涉及的領域有金屬材 料、半導體材料、光學晶體材料、納米 材料和高分子與生物醫學材料等9.我國空間材料科學目前面

25、臨相當大 的困難.克服這些困難，目前一方面可充 分利用國際合作（俄羅斯、日本）,另一方 面，我們需要面對現實，以地基實驗為主, 在加強國際合作的同時，擴大該領域的研 究團隊，同時該學科需要進一步凝煉學科 方向和科學問題，今后應該創造條件開展 精選公文范文18精選公文范文 空間材料科學研究.我國空間材料科學在 林蘭英先生的倡導和指導下，一批學者積 極參與,取得了重要學術成果.“十一五” 期間,我國的SJ-10衛星計劃和載人航天 工程（第二階段）計劃中都分別安排了多 功位材料實驗爐的空間實驗，應能做出一 批較好結果.6生物技術空間生物技術促進了生物技術的定 量化和模型化研究，促進了新的實驗方法 和

26、儀器設備的發展，具有重要學科意義. 另一方面，空間生物技術有很強的應用背 景，可以改善人類的健康和發展生物產業, 是空間商業計劃的新方向.目前,空間生 物技術的主要研究方向是蛋白質單晶生 長和細胞/組織的三維培養.晶體衍射法仍然是當今研究生物大 分子結構和功能的主要方法，獲得高質量 的大尺寸蛋白質單晶就是一項艱難的任 務.溶液法生長蛋白質晶體受到許多因素 的影響，微重力環境可以更有效地提供擴 散為主的輸運環境以及實現失重條件下 精選公文范文19精選公文范文 的無容器過程和較好的界面控制,使空間 的蛋白質單晶生長顯示出許多優點.各國 空間局都安排了大量的空間蛋白質單晶 生長實驗，而且取得很大進展.但并不是 所有空間實驗都取得好結果，也有不少不 成功的實驗.機理研究表明，蛋白質晶體 生長過程