北京落塔：探索微重力科學前沿

  在地球上研究物質運動的規律，不可避免地要遇到地球引力的問題，特別是當物質出現上下方向的運動時。例如，熱的空氣比冷的空氣輕，它就必然向上飄。此外，地球上演化出現生命的現象，也不能排除地球引力的影響。

  微重力科學是研究物質/物體在失重環境下的行為和相互作用的學科，是現代科學技術前沿的重要領域。由于完全失重，即真正的零重力很難達到，通常就以帶有微小殘余重力的實驗條件進行研究。

  我們所說的微重力條件，是指失重實驗能夠達到地球重力的千分之幾到百萬分之幾的狀態。在微重力條件下，許多日常生活中被重力掩蓋的現象凸顯出來，如毛細對流；有些司空見慣的現象在微重力條件下則會有完全不同的表現，如蠟燭火焰及沸騰傳熱等。

  實現微重力的方法主要有空間站、人造地球衛星、探空火箭、失重飛機及落塔等。其中，微重力落塔是進行微重力科學研究最重要也是最經濟的地基實驗設施。

  微重力落塔是建造幾十米甚至上百米高的建筑，在中間留出自由下落物體的空間，通常以圓塔的形式來實現�？諝庾枇淖兾矬w自由下落的速度，因此，對微重力水平要求較高的實驗，需要在塔的中間再建設一個真空的垂直管道，使實驗裝置在沒有空氣阻力的條件下下落。由于人工建筑高度的限制，這種落塔通常只能獲得幾秒鐘的微重力時間。

  中國科學院力學研究所微重力重點實驗室的北京落塔是我國進行微重力科學與空間應用技術研究的重要設施，其旨在模擬或減輕重力的影響，為科學家們提供一個接近失重的條件進行實驗。這座位于北京市的落塔，在技術性能上可以比肩國際同類設施，不僅對于研究微重力環境下的科學現象具有重要意義，而且對于推動我國微重力科學及其在應用領域的發展起到了關鍵作用。

  北京落塔于2003年建成，是我國自行研制的亞洲最高、世界第三的地基微重力科學實驗設施。北京落塔地上總高116米，地下8米，主要由實驗艙組件、提升及電磁釋放系統、回收系統、中控系統、測量控制系統及輔助設施組成，是目前我國穩定運行時間最長的地基微重力科學研究自由落體實驗設施。對比國內外同類落塔實驗設施，北京落塔具有運營及維護成本低、系統運行穩定可靠、回收過載小、實驗快捷方便、地面檢測系統完善等鮮明的技術特色。

  當實驗艙在落塔通道自由下落時，實驗艙內即可獲得微重力環境。在實驗艙下落過程中，重力提供了向下的加速度，艙內的設備不再受到外力的影響——處于一種“失重”的飄浮狀態。但實際上由于存在空氣阻力、設備振動等因素的影響，總會有一些微小的干擾力——微重力存在。

  實驗艙是落塔實驗設施中搭載試件的專用設備。北京落塔的實驗艙有兩種艙型——單艙和雙艙，微重力時間均為3.6秒。在短暫而寶貴的時間里，科學家們可以開展各種實驗，涉及材料科學、生命科學、物理學等多個研究領域。這些實驗有助于深入探究重力對物質運動、結構變化以及生命活動等方面的影響。

  單艙型實驗艙能夠提供的微重力水平量級為10^-3～10^-2g，主要應用于對微重力水平要求不是很高但裝置較大的實驗研究。單艙型實驗艙的有效實驗載荷可達160千克。

  為了滿足更高微重力水平的要求，在實驗過程中減少外界環境的干擾，北京落塔還采用了雙艙結構。這種結構是在實驗艙外艙中裝入內艙，實驗裝置安裝在內艙里，內外艙之間抽真空。當外艙在空氣中下落時，內艙在外艙提供的真空環境中下落。這樣，內艙的下落過程就更“自由”了，因而微重力水平也更高。我們利用這種特有的雙艙結構達到了10^-5g的微重力水平量級，使得許多需要在太空中進行的實驗，可以在地面上進行初步探索和驗證。雙艙型實驗艙的有效實驗載荷為30千克。

  測量控制系統是落塔實驗設施的重要組成部分，可檢測并記錄實驗過程的微重力曲線、顯示微重力狀態及實施控制等，可以通過遙傳圖像、回訊狀態對實驗過程進行實時監控，并根據需要進行干預，以取得最為滿意的實驗結果，基本保證正式微重力實驗的成功率。

  北京落塔可進行微重力流體物理、非金屬材料燃燒、空間技術驗證、空間材料科學、空間生物技術、微重力液體管理、沸騰傳熱以及固體微細顆粒流型等實驗研究，為航天飛行器載荷搭載實驗及空間防火技術預研提供便利的實驗手段。在落塔開展的某些高精度微重力傳感儀器的研制實驗，其結果對空間科學技術發展具有重要的參考價值。

  建成至今，北京落塔已運行20多年，承擔了國內絕大部分地基微重力實驗任務，累計完成微重力實驗1000多次，依據落塔實驗結果發表相關論文200多篇，在微重力科學基礎研究和支撐國家重大項目建設等方面發揮了積極作用。北京落塔是我國研究載人航天、微重力科學諸多學科的科學家們進行微重力實驗研究不可或缺的平臺，同時也可作為開展微重力科普教育、提高全民科學素養的科普基地。

  北京落塔服務的重大科研實驗任務包括“實踐十號”返回式科學實驗衛星上的流體、燃燒、沸騰傳熱等多項實驗，天宮二號空間實驗室任務中的液橋熱毛細對流實驗，“太極一號”任務中的加速度驗證實驗，天舟一號貨運飛船任務中的冷凝蒸發實驗，夢天實驗艙流體物理實驗柜和兩相系統實驗柜的地面預研實驗，天問二號小行星探測任務中的機械臂采樣和小行星星壤力學特性實驗等，保證了空間任務的順利實施和圓滿成功。

  為滿足不同的科研需求，北京落塔也不斷開展技術創新，先后擴展性研發了變重力雙艙實驗系統和低重力實驗平臺，既能提供多種微重力水平模擬實驗環境，又能模擬月球和火星等表面的低重力環境。這樣，結合地面常重力對比實驗，北京落塔可以提供涵蓋10^-5g～1g范圍寬域重力條件的模擬實驗范圍，能夠更好地支撐我國微重力實驗研究和空間新技術試驗驗證等。

  今后，我們將堅持“四個面向”，繼續拓展與相關科研機構的合作，積極探索，不斷優化設備和擴展實驗項目，努力把北京落塔建設成為微重力科學研究及航天科技服務的重要基地。■

（作者單位：中國科學院力學研究所）