2016年4月6日凌晨1时38分，伴着点亮夜色的火光，在震耳的轰鸣声中，我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”由长征二号丁运载火箭成功送入太空。

中国是继美国、前苏联之后，第3个掌握返回式卫星技术的国家，1975年成功发射第1颗返回式卫星以来，已将25颗返回式卫星送入太空。“25颗”看似轻车熟路，但距离第24次发射回收已过去整整10年。

“实践十号”正是继10年前首颗返回式科学实验卫星“实践八号”后第二颗返回式科学实验卫星，特为“微重力科学和空间生命科学”实验研究量身定做。

从人类将第一个航天器以及第一位宇航员送入太空开始，微重力科学和空间生命科学就应运而生。当今，国际空间站（ISS）依然是国际空间活动的主要热点之一，它是一个由多个国家和组织联合实施的有人长期驻留、操作的大型空间实验室，微重力科学、空间生命科学及航天医学等是其主要研究内容。2013年末，美国航空航天局（NASA）评选出国际空间站十大科学成就，其中2项属于微重力科学研究、3项属于生命科学研究。俄罗斯也与欧空局（ESA）合作，用其专门的Foton-、Bio-系列返回式卫星共同开展微重力科学和生命科学研究。此外，探空火箭、抛物线失重飞机以及地面短时微重力落塔（落井）设施也是各航天大国进行微重力科学研究的常规手段。

在“实践十号”之前，我国微重力科学和空间生命科学的空间实验研究主要通过搭载在其他用途的返回式卫星、“神舟”系列飞船等航天器上进行，搭载机会及其可利用的航天器资源远远不能满足基础科学研究和应用材料研究的需要。

“实践十号”卫星从200多项申请中精心挑选出19个科学实验载荷涉及28项科学实验，全部项目均为微重力科学和空间生命科学前沿课题，其中多项科学实验是在国际上首次开展，每一项都是全新探索，具有很高的科学研究价值。

地球上的物理现象，均在地球重力作用的影响下产生，比如浮力、沉降等。而在微重力，也就是通常说的“失重”环境条件下，却能出现很多地球上不可能观测到的独特现象，比如人们熟知的航天员在太空中漂浮行走。而这些宏观现象的背后，有着怎样的科学规律？科学规律又将导致哪些肉眼看不到的微观现象？

所谓“微重力”，即重力水平很低（环境中残余加速度很小），甚至可以忽略的状态。在这样极端的物理条件下，物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能发生有趣的变化，这恰恰意味着重大科学突破即将产生。

“实践十号”返回式科学实验卫星，正是利用其在太空飞行时所营造的微重力（失重）环境，揭示被地球表面重力所掩盖的“秘密”。“实践十号”卫星发射升空，相当于我国科学家将实验室搬到太空，在太空微重力环境下建立“太空实验室”。

“实践十号”搭载的微重力科学实验研究抓住国际微重力科学领域发展的前沿——微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学，立足于必须在空间这一长微重力环境下才有可能认识清楚的重要物理学过程，拓展人类对微重力极端环境下物质运动规律的认知：对流、自组织和相变等各种过程，传热、传质规律；微重力下材料着火、燃烧规律、煤燃烧机理；我国特色的新材料样品在微重力下的生长和凝固过程。结果数据将有利于改善、优化地面和空间工程流体和热能机械、材料加工过程和工艺，获得在地面重力场中难以生长的高品质材料，为我国载人航天器安全及能源、减排等国家重大需求提供科学依据和基础数据。

太空中，液滴该如何蒸发？

蒸发与流体界面效应空间实验研究项目

意义：在轨观测微重力环境下液滴蒸发过程，以期为载人航天等航天工程中的空间热流体设备的设计开发提供理论支撑，获得微重力环境中相变传热基本现象和特殊规律的研究结果，发展流体复杂界面动力学与相变传热理论。

太空中，颗粒流体的气相和液相如何相互作用？

颗粒流体气液相分离空间实验研究项目

意义：是国际首次对颗粒团簇行为（包括麦克斯韦妖现象）进行系统空间实验，将有望获得对颗粒聚集行为的系统观察，从而得以利用颗粒物质内禀特性，建立在空间的储存、运输和操作的新方法。

太空中，沸腾现象中的气泡有何变化？

微重力沸腾过程中的汽泡动力学特征研究项目

意义：微重力条件下，有利于认识生长气泡周围细观流动、气泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征。利用“实践十号”提供的长期、稳定的空间微重力环境开展单气泡池沸腾实验研究，其结果将加深对沸腾传热机理的认识，促进学科发展，并且服务航天事业和地面应用。

微重力环境下，流体不再无形。

热毛细对流表面波空间实验研究项目

意义：地面环境由于浮力的作用，使流体界面问题研究受到极大的局限，特别是重力环境无法建立大尺度大曲率页面的稳定流体体系，使流体体积效应研究完全不可能。本项目首次提出环形液池体系对流失稳可能极大地受到液面形貌及液体体积比的影响，采用空间注液控制方法，进行系列体积比科学实验，研究临界失稳条件以及对流转捩途径。

微重力环境下，水中杂质不再沉降。

胶体有序排列及新型材料研究项目

意义：流体在重力作用下会出现包括浮力对流、静压力不均匀分布和沉淀等物理现象，这些现象在微重力条件下几乎消失。也就是说，浮在水面、水中的颗粒、胶体等将不再沉降，这使得更有利于观察这些物质与液体作用界面上物理、化学现象。实验结果将是首次观察到空间胶体粒子自组装动力学过程，并获得粒子排列过程，研究微重力条件下的自组装机制；并将首次验证纯熵驱动的相变机制。

测量Soret系数，指导石油开采。

微重力条件下石油组分热扩散特性的研究项目

意义：实验在微重力环境下测量原油索雷特系数（Soret Coefficients in Crude Oil，SCCO），从而可能帮助准确预测油田中石油组分分布和油气界面位置，指导石油的开采并降低开采成本。

微重力环境下，导线怎样过载自燃？

导线绝缘层着火早期烟的析出和烟气分布研究项目

意义：在微重力环境下，观察导线在自身电流过载下的着火突变现象，研究其规律。实验将首次在长时间的微重力环境下获得导线在自身电流过载下引起的绝缘层烟气析出及其在受限空间中的分布规律，首次获得长时间微重力环境下过载电流大小、绝缘层厚度等因素对导线着火先期征兆的影响规律。

微重力条件下，燃煤怎么烧？

微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究项目

意义：地面微重力实验设施时间过短，不足以观察煤粒的全燃烧过程和煤粉在燃烧室内达到均匀分布。本项目将获得在传热传质各向同性条件下煤粒及煤粉颗粒群着火燃烧全过程的基本现象和规律及低温火焰特性，丰富燃烧学理论；获得在微重力下我国典型煤种煤粉和煤粒燃烧等重要基础参数；结合地面数据揭示浮力对煤燃烧作用的大小，为地面煤的高效低污染燃烧发展更为准确的数学模型，促进我国煤炭的清洁、高效和安全利用。

没有地面重力限制，航天器防火材料如何选用？

典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究项目

意义：瞄准载人航天器防火安全的应用方向和固体材料燃烧机理的科学需求，深入理解热厚材料在微重力条件下燃烧过程和火焰特性，进而为载人航天器材料防火性能评价的实际应用提供科学依据。丰富和完善固体材料燃烧理论，并取得航天器火灾预防的关键环节——材料防火性能评价的技术原理突破，直接服务于我国载人航天的工程实践。

没有地面重力限制，制备高性能优质材料。

熔体材料空间生长实验项目

意义：通过在多功能炉中的空间材料实验，攻克在地面对流、沉降、器壁效应等条件下材料制备中无法解决的难题，获得在地面无法得到的高性能优质材料，开发新的材料制备工艺。并通过天地对比研究，揭示材料制备过程中的微观机理和组分、结构与性能之间的内在关联，发现新的科学现象，丰富和发展材料科学理论，指导地面的材料制备和生产工艺。

人类能否离开地球，穿越漫漫星际，在宇宙中长期生存？

人类能否在太空中繁衍后代？在太空诞生的人又会是什么样？

在没了昼夜之分、四季之分、上下之分的太空中，地球之花还会按故乡的时间绽放吗？会有别样的美吗？会结出与地球上不同的果子吗？

也许“实践十号”回答这些问题还为时尚早，但它搭载的空间生命科学相关实验，却正在迈出人类研究这些问题的脚步。

“实践十号”卫星搭载的相关项目，将研究植物、动物、微生物等生命体在太空环境下的生命活动理论基础；揭示微重力和空间辐射如何影响生命的分子机制；将理论应用于动物早期胚胎发育、干细胞生长/分化、组织的三维构建；构建生命在太空中的“房子”，为我国载人航天工程和空间站应用等重大需求提供科学依据和基础数据、技术。

空间辐射，伤害有多大？

空间辐射诱变的分子生物学机制研究项目

根据预先测算，“实践十号”将监测模式生物接受空间辐射粒子的品质和其诱发的系统生物学变化特征，挖掘空间辐射诱发生物体遗传变异的诱因和生物损伤的分子机制，挖掘对空间辐射环境敏感的生物分子和空间环境引起生物学效应的诱因，探索新的空间辐射生物计量评估技术，为载人航天中的深空探测任务和舱外暴露试验打下技术基础。

空间辐射，怎样防护？

空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究项目

太空辐射的风险和防护研究迫在眉睫，但我国在此方面基础还很薄弱。空间辐射与地面常规辐射有很大区别，地面模拟空间辐射也仅能模拟其某一方面的特点，无法模拟空间辐射的综合效应，且目前地面也无法真正有效模拟出太空中微重力的环境。因此，项目组在“实践十号”提供的环境中，将野生型和辐射敏感的小鼠细胞和果蝇进行上述研究。研究将获得原创性成果，为我国进行太空辐射的风险和防护研究提供极有价值的基础数据和检测手段。

空间辐射，将把家蚕改造成什么样？

空间环境对家蚕胚胎发育的影响和变异机理研究项目

家蚕产业是我国农业领域的支柱性产业之一，新品种的推广应用和新型功能蛋白的开发都将极大地推动该产业的发展。空间技术应用于家蚕将有望获得新型的家蚕突变品系而有利于家蚕新品种的开发，有重要的应用与经济价值。空间条件下家蚕基因表达的特征，还可推广到其他的生物研究之中，成为空间基础生物学研究的基础，并为新品种的开发和相关机理的验证提供理论指导。

失重了，植物怎么生长？

微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究项目

空间飞行实验显示，失重会影响植物的生长发育。“实践十号”上的空间实验将进一步揭示失重条件引发植物生物学效应的机理，获得微重力对植物细胞壁代谢影响方面的新认识，深入理解植物对微重力这一特殊环境的适应机制。这些发现将有助于构建受控生命支持系统，为利用植物开拓空间提供理论基础。

没了白天黑夜，花怎么开？

空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花的分子机理研究项目

在“实践十号”上应用典型的长日与短日植物光周期诱导开花特点，研究空间微重力条件下光周期诱导开花的作用机理，阐明重力在光周期诱导植物开花中的作用提供新证据，为建立载人航天受控生命生态支持系统的品种培育、空间栽培提供理论与技术基础。

在国际上首次使用在轨微重力条件下热激启动基因表达及实时荧光图像观察的方法与技术，所构建的热激启动系统与实时荧光图像系统，将为今后研究植物发育相关基因的在轨实时表达提供重要的实验系统与分子生物学工具。

重力不再，新陈代谢能否正常维持生命？

微重力条件下细胞间相互作用的物质输运规律研究项目

“实践十号”相关实验基于生物力学视角，在技术上量化微重力条件下细胞培养的物质输运条件，在科学上分析重力变化对动物细胞的直接作用与间接作用机制，实验结果将获得新科学数据——微重力条件下动物细胞生物学行为的物质输运规律；新实验技术——新型空间动物细胞生物力学实验装置。验证新型空间生物力学实验装置，获得动物细胞物质输运规律的空间实验数据，分析重力变化对细胞的直接作用与间接作用。

失重条件下，干细胞还分化吗？

微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究项目

干细胞研究是继药物治疗、手术治疗之后的又一场医疗革命，再生医学已是近年来世界各国重点发展的高新科技领域之一。造血干细胞和神经干细胞是组织损伤修复和体细胞发育分化的重要种子细胞，是再生医学治疗疾病的重要手段。如何扩增和定向诱导造血与神经干细胞一直是再生医学应用干细胞的关键技术问题。“实践十号”卫星上的进一步研究，将在空间微重力条件下，为人类探究造血与神经干细胞增殖与分化的机理提供更准确、更科学的线索。

微重力条件下骨髓间充质干细胞的骨细胞定向分化效应及其分子机制研究项目

建立微重力环境下干细胞培养、定向分化的技术平台，阐明微重力影响人骨髓间充质干细胞定向分化骨细胞的生物学效应及其分子机制。分析“实践十号”卫星返回舱携带的实验样品，将获取空间骨细胞定向诱导分化效应及其关键细胞信号分子相关结果；为人类将来在微重力环境下进行骨质变化的预防、治疗和相关药物开发提供理论依据。

空间环境下哺乳动物与人类能否繁衍后代？

微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究项目

空间微重力环境是否影响胚胎的正常生长和发育？相关问题一直是待解之谜。“实践十号”上搭载的相关实验，在世界上首次获得太空条件下小鼠早期胚胎发育结果，用于阐述空间微重力条件影响哺乳动物早期胚胎发育的机制，为保障人类太空活动中生殖发育健康提供科学依据。

“实践十号”卫星工程利用我国成熟的返回式卫星技术，紧密围绕有关能源、农业和健康等领域国家科技战略目标，结合航天器防火等关键技术需求，进行重大科学问题研究，并为有关卫星型号任务进行前期试验。“实践十号”卫星的科学应用系统联合了中科院11个研究所及国内6所高校共同参与。除国内合作外，通过与ESA等国际机构开展合作研究，搭建了中国和国际空间强国紧密合作的互通平台，共同孕育空间微重力科学和空间生命科学领域的新发展、新突破。“实践十号”卫星每一项科学实验都经过严格遴选、反复论证，具有创新性、针对性和很好的科学前景，预期将获取具有国际先进水平的、具有自主知识产权的创新性重大科技成果，促进地面生物工程、新材料等高技术发展和生命科学等基础研究取得突破，对于推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展具有重要意义。

（原文发表于《中国科学院院刊》2016年第5期，原文作者为“实践十号”卫星应用系统总设计师康琦研究员、首席科学家胡文瑞院士）