太空教育—载人航天的重要领域

  2013年6月20日,我国神舟十号载人飞船女航天员王亚平在聂海胜、张晓光的协助下,成功为地面青少年进行了我国首次太空授课,为我国太空教育开辟了新篇章,在全球产生了较大的影响。现在,太空教育已成为载人航天的重要领域,前景非常广阔。

  众所周知,在太空飞行的载人航天器内与地面有天壤之别,最显著的特点是存在地面难以模拟的长期失重环境。在那里,人人好像都会轻功,可以像游泳一样随意飘来飘去,6月13日,航天员聂海胜、张晓光和王亚平都是以这种方式先后从神舟十号飞船飘入天宫一号目标飞行器内的;航天员均能成为大力士,可毫不费力地举起任何东西,甚至能轻松表演“一指禅”;他们的睡觉也不分上下,可以站着睡,也能倒立睡,高兴时还可不固定睡袋,当一回“夜游神”;吃东西时也能像小鸟一样,把食物放在空中后用嘴去接着吃……。当然,失重环境也给航天员搞个人卫生带来麻烦,如刮胡子、理发等都不容易,尤其是上厕所要使用抽气马桶,这需通过大量训练才能熟练掌握,使用太空马桶时要小心翼翼,否则会出现灾难性的“天女散花”。

  载人航天器内的失重环境不仅使航天员的生活变得十分奇妙,对物理、化学、材料、生物、医学等领域也会产生重要影响。在那里,液体中密度不同的成份不会发生沉淀和对流;水和蜡烛燃烧都会呈球状;许多成语也不适用,比如:脚踏实地、飞流直下、空中阁楼、危如累卵、摇摆不定等,在那里水不再往低处流,甚至用竹篮也可以打水。真可谓“不一样的世界,不一样的感受”。

  因此,利用失重环境可以为人类造福。例如,在失重环境中混合物可以均匀地混合,由此能制成地面上不能得到的特种合金;也能制成一种新的泡沫金属。其基本原理是在液态金属中通以气体,失重环境可使气泡不“上浮”,也不“下沉”,均匀地分布在液态金属中,凝固后就成为泡沫金属,这样就能制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼又轻又结实;失重环境可使熔化了的金属的液滴形状呈绝对球形,冷却后能成为理想的滚珠,非常耐磨损,而在受重力影响的地面上很难制造出绝对球形的滚珠;在太空生产的半导体和蛋白质的晶体都比在地面生长的没有缺陷、个体更大、纯度更高、更加均匀,有望引起电子技术的重大突破;由于在太空液体中密度不同的成份不会发生沉淀和对流,所以在太空采用电泳技术生产的有些产品产量比地面高几百倍,纯度高几倍,成本也更低,有的仅为地球上的1%;在地面上不能制成很长的玻璃纤维,因为没等到液态的玻璃丝凝固,会由于重力的作用被拉成小段,但在太空能制造出几百米长的玻璃纤维;在太空可进行无容器的“悬浮冶炼”,消除了容器对材料的污染,防止容器本身由于高温而影响金属冶炼的纯度,获得纯度极高的产品,等等。所以,开展太空科学研究对人类社会的发展等 能起到积极的促进作用,甚至出现质的飞跃。

  在载人航天器上开展太空教育具有重要意义,它可以使青少年及公众走近航天、了解航天、热爱航天,激发孩子们对科学的兴趣、对航天的向往。

  为了引起学生们和老师们的对太空探索的兴趣,激发他们在科学、技术、工程和数学领域方面研究的兴趣和灵感,吸引更多的学生今后加入到这些领域和航天事业的队伍中来,美国航空航天局(NASA)已将太空教育确定为自己的三大使命之一。NASA要求在其各项任务中都要加入太空教育的内容,并每年为此投入1亿~1.5亿美元经费。

  现在,载人航天的空间应用项目主要包括医学与生物学研究、生物工程、空间技术、材料科学、教育活动、地球物理学及对地观测等7个方面的科技研究性应用。由此可见,太空教育已成为载人航天的一项重要内容,是连接青少年学生与载人航天事业的最好桥梁,因而已受到越来越多国家的重视。

航天员在“国际空间站”为学生演示科学实验
航天员在“国际空间站”为学生演示科学实验


太空失重环境使充满气泡的液珠旋转起来,气泡因密度低集中在转轴附近呈柱状,液珠在垂直于转轴方向被拉长
太空失重环境使充满气泡的液珠旋转起来,气泡因密度低集中在转轴附近呈柱状,液珠在垂直于转轴方向被拉长



在地面重力环境中,当水被加热,底部开始沸腾,在容器底部产生小气泡,被重力引起的对流带到容器上部(左图)。在太空失重环境中,缺少了对流和浮力,加热产生的气泡一直附着在容器底部停留很长时间(右图),最后形成一个大气泡,飘浮在水中


地面蜡烛火焰(左)与太空蜡烛火焰(右)在形状和颜色都有明显不同
地面蜡烛火焰(左)与太空蜡烛火焰(右)在形状和颜色都有明显不同


学生与航天员进行视频通话
学生与航天员进行视频通话


航天员聂海胜在演示悬空打坐
航天员聂海胜在演示悬空打坐


王亚平进行失重环境下的单摆运动演示
王亚平进行失重环境下的单摆运动演示


王亚平向水球中注入空气
王亚平向水球中注入空气