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博士乘组在“最高讲台”授课,“天宫课堂”首次展示火焰实验

9 月 21 日," 天宫课堂 " 第四课开讲,神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮面向全国青少年进行太空科普授课。

新华社图

3 名航天员都拥有博士学位,是名副其实的 " 博士乘组 "。其中,朱杨柱曾任教的航天工程大学 ,桂海潮是北京航空航天大学的教授。这次,他们以中国空间站梦天实验舱为讲台,课程设置格外精彩。

" 太空炼丹炉 " 产出的首批材料已返回地面

梦天实验舱是我国迄今为止重量最大的单个航天器,升空时约为 23.3 吨。这次 " 天宫课堂 " 便是以此为讲台,神舟十六号乘组首先介绍了梦天舱的基本情况。

桂海潮介绍,梦天实验舱具有 13 个科学实验柜的安装空间,还具备载荷自动进出舱功能。与其他舱室不同,梦天舱没有设置睡眠区、卫生区、仓储区。

朱杨柱介绍,在梦天舱实验载荷区域,可以开展流体物理、材料科学、燃烧科学等微重力物理科学的基础研究,同时还能探究工程技术领域的前沿问题。

被称为 " 太空炼丹炉 " 的高温材料科学实验柜,是展示重点之一。它的炉温高达 1600 ℃,可以利用太空微重力条件开展新材料研究。朱杨柱透露,第一批在 " 炼丹炉 " 里制备的材料,已经随着神舟十五号航天员返回了地面,其中有一种半导体材料具有非常好的柔性性能,适合制作新型的晶体软电子器件。

" 同学们,你们知道世界上最冷的地方在哪里吗?" 随着镜头转动,桂海潮接着介绍起 " 超冷原子物理实验柜 "。他说,这个设备可以制备出地面无法实现的温度,接近绝对零摄氏度的超低物质,其原子会呈现特殊的状态,可以更好地探索量子力学的奇异世界。

神奇的球形火焰!

随后,进入天宫课堂最具趣味性的实验环节。

火焰实验,是第一次在天宫课堂展示。朱杨柱取出一支蜡烛。桂海潮划燃火柴将其点燃。

通常,地面上的蜡烛火焰都是锥形火焰。而在太空的微重力环境下,蜡烛火焰近似球形,颜色也呈现淡蓝色。朱杨柱轻轻转动蜡烛,但火焰的形状没有明显变化。

" 在地面有重力的作用,燃烧后的热气上升、冷气下降,形成浮力对流,因此火焰呈现锥形。但空间站的微重力环境几乎消除了这种浮力对流,燃烧后的气体向各个方向运动的趋势相同,因此不管蜡烛朝向哪个方向,火焰都近似球形。" 桂海潮解释了火焰形态背后的科学原理。

至于火焰的颜色差异,则是因为微重力环境下对流微弱,氧气的补充则不如地面及时,蜡烛燃烧也不如地面充分,火焰的温度更低,才呈现蓝色。

在太空打一场 " 乒乓友谊赛 "

在奇妙 " 乒乓球 " 实验中,朱杨柱、桂海潮在太空中来了一场 " 乒乓友谊赛 ",不过他俩用的是一颗小水球。

水在微重力环境下,因为其表面张力,聚成一颗水球,这在往期的 " 天宫课堂 " 已经展示过。本次实验中,他们在球拍表面裹了干毛巾拍击水球,毛巾却并没有吸水,而是弹开了水球。这是什么原因呢?朱杨柱介绍:" 毛巾的表面布满了疏水的微绒毛,有很好的疏水性能,这种疏水结构的处理工艺在我们纺织工业里面是很常见的,大家穿的冲锋衣、速干衣都用了这种处理工艺。"

近百吨空间站如何转身?这个实验告诉你

随后,他们又进行了动量守恒实验、又见陀螺实验。

陀螺是 " 天宫课堂 " 的经典教具,往期课程已经多次展示。这次,航天所用的陀螺更大一些,可以纵向旋转,两侧均有握柄。桂海潮先握住静止的陀螺,左右手交替抬高、放下,身体姿态并没有变化。而当朱杨柱让陀螺快速转动起来后,再做出同样动作的桂海潮,身体明显发生了转动,这背后体现的是角动量守恒原理。

空间站就是用同样的原理在太空 " 转身 "。" 可以把我的身体想象成空间站,把双手和手中的陀螺看作空间站使用的一种特殊装置——控制力矩陀螺。" 桂海潮说,这个装置能实现 " 四两拨千斤 ",仅需总重量几百公斤的陀螺,就能让重达近百吨的空间站在太空中轻松自如地转身。

天地互动,北航学子向老师桂海潮提问

" 你们在太空中能看见太空垃圾吗?" 天地互动环节,内蒙古阿拉善盟额济纳旗中学的同学向三位航天员提出这样的疑惑。景海鹏告诉同学们," 我们和大家一样也非常好奇,经常通过空间站的舷窗去看,甚至还用望远镜去找,但是到目前为止还没有发现太空垃圾的踪影。"

除了内蒙古额济纳旗,本次 " 天宫课堂 " 还在华东师范大学宁波艺术实验学校、安徽桐城中学、陕西延安科技馆、北京航空航天大学设置了地面课堂。

华东师范大学宁波艺术实验学校的同学提出,与地面上看到的太阳和飞机上看到的地球相比,在空间站内看到太阳与地球有什么不同吗?朱杨柱表示,在空间站看到的地球确实是圆的,比在飞机上看到的更辽阔、更壮观,而且天上的云都是雪白雪白的,日出日落一天能看到 16 次。不过," 我不敢看,也不能直接去看太阳 ",因为没有了大气层的遮挡,阳光特别耀眼,特别强烈,出舱活动时要使用特殊的防护面窗,防止眼睛被灼伤。

北航宇航学院 2020 级本科生吴堃炤,提出的问题更具专业性," 在没有参照物的情况下如何去感知中国空间站的姿态?"

身处太空的博导桂海潮回答了这个问题," 我们的空间站上,有特殊的敏感器,比如地球敏感器,太阳敏感器,星敏感器等等,科学敏感器就像一双双敏锐的眼睛,可以准确地测量地球、太阳、恒星的方向,从而可以确定空间站的姿态了。空间站上也装了北斗定位设备,用来确定空间站当前的轨道位置。此外,空间站在太空中飞行,是有特定规律的,这个规律就是轨道力学,用轨道力学的方法,我们不仅可以知道空间站现在在哪,还能预告出接下来要飞到哪。"

据了解,在空间站应用与发展阶段," 天宫课堂 " 将持续开展太空授课活动。中国载人航天工程办公室将继续通过媒体广泛征集关于 " 天宫课堂 " 的创意和建议,欢迎社会各界特别是广大青少年踊跃参与。

文 | 现代快报 + 记者 是钟寅 储希豪

视频 | 刘晓琪 龙秋利 储希豪 制作

图片来源于新华社、央视截图

(编辑 王鹏)

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