中國科學院國家微重力實驗室

二十世紀九十年代初，為適應我國空間科學發展的需要、發展我國載人航天工程及相關科學研究事業，國家863計劃第一屆航天領域專家委員會決定組建國家微重力實驗室和國家計算流體力學實驗室。1994年原國防科工委(現總裝備部)原則批准在中國科學院建立“國家微重力實驗室”(National Microgravity Laboratory)。1995年正式批文、在中國科學院建立“國家微重力實驗室”。1998年國家微重力實驗室實驗樓建成，國外購置設備和國內自行研製設備相繼通過驗收。2003年4月總裝備部對國家微重力實驗室進行了全面驗收，實驗室工作進入正常運轉。國家微重力實驗室建設期間，本著“邊建設邊研究”的原則，積極開展研究工作，抓緊建設和調試落塔，建立各項管理制度，並積極承擔中國科學院創新工程重大項目和重要方向性項目、科技部攀登計劃、863計劃航天領域、國家自然科學基金項目等研究課題，不斷積累學術成果，豐富研究領域。九十年代後期，國家微重力實驗室負責國家載人航天工程應用系統的論證，並積極承擔與微重力科學相關的地基和空間實驗任務，取得了重大成果。

國家微重力實驗室現已成為我國微重力科學研究的核心實驗室，為國家載人航天工程做出了重大貢獻，獲得集體和個人兩項國家科技進步特等獎；參加和組織我國微重力科學的學科發展論證；負責組織並完成實踐8號衛星留軌艙系統的微重力科學實驗，取得一批重要學術成果；正在負責實踐10號科學實驗衛星載荷總體和科學研究總體、國家載人航天工程二期應用系統流體物理分系統的工作。鑒於其突出工作業績，國家微重力實驗室獲2005年國家人事部和中國科學院聯合頒發的先進集體獎，為發展我國微重力科學做出了不可替代的貢獻。在學術上進行創新性研究的同時，國家微重力實驗室積極參與國際微重力科學活動、開展卓有成效的國際合作與交流，是國際上有重要影響的微重力科學研究中心和用戶支持中心。

作為微重力科學研究中心，國家微重力實驗室目前的研究領域涉及微重力科學的主要方向，包括微重力流體物理(簡單流體的運動、多相流和複雜流體)，微重力燃燒科學(燃燒機理和空間站防火)，空間材料科學(凝固過程、晶體生長和模型化研究)，空間生物技術與生命科學(生物力學、細胞-分子生物學和納米生物技術)，在流體物理、燃燒、生物力學和先進診斷技術，以及與材料科學和生命科學的交叉與融合等領域開展了有特色的創新性研究工作，2000-2007年期間已在重要學術刊物發表論文374篇，出版專著(章節)12部。同時，國家微重力實驗室還與國內基礎物理界同行合作，努力促進我國空間基礎物理的發展。國家微重力實驗室近年來承擔了多項國家重大項目，已完成國家載人航天工程、科學實驗衛星等空間實驗項目11項，並承擔中國科學院知識創新工程和大型裝備等項目20餘項、國家自然科學基金重點和面上項目20餘項以及其它研究項目5項，項目經費合計約1.4億元。在國家重大需求層面，“十一∙五”期間國家微重力實驗室已有5項空間實驗列入國家載人航天工程(第二期)、7項空間實驗列入實踐10號衛星計劃、2項空間實驗列入中俄合作利用國際空間站俄國艙的有人操作實驗計劃、3項空間實驗列入微重力火箭計劃。

國家微重力實驗室現有固定資產7585萬元，引進和自行研製了儀器設備百餘台(套)，具備較完善的開展微重力科學地基研究的實驗體系，包括開展微重力流體物理研究的流體動力學、分散體系、光學診斷和測試、三維顯微粒子圖象測速等實驗系統；開展微重力熱科學研究的兩相流、微重力燃燒等實驗系統；開展空間材料科學研究的半導體晶體、氣相外延、金屬合金成核過冷、非透明介質、透明晶體生長等實驗系統；開展生物力學和空間生物技術研究的蛋白質晶體生長、空間細胞生長和組織培養、連續流電泳、微管吸吮、激光顯微光鑷、原子力顯微等實驗系統；以及開展納米生物技術研究的光學橢偏成像系統等，共同組成了國家微重力實驗室的研究平台。作為微重力科學用戶支持中心，國家微重力實驗室建成了可進行短時微重力地面實驗的百米落塔設施，其中落艙系統的微重力時間為3.5 s、微重力水平可達10-5×g量級，落管系統的微重力時間為3.26 s，微重力水平優於10-6×g, 可為用戶提供各種技術支持和服務。

國家微重力實驗室將繼續以國家重大需求為目標，以積極推進微重力科學與應用研究、促進我國空間科學發展為已任，進一步加強科研、隊伍和基礎設施的建設，提高實驗室的整體科研水平和運行管理水平，使之成為對國內外開放的、國際上一流的微重力研究中心，為國家載人航天工程和空間科學研究做出貢獻。

國家微重力實驗室目前有四個研究方向：

流體物理，燃燒科學，材料科學，生物力學與納米生物技術

流體物理是物理和工程科學的重要領域，其研究內容包括傳熱傳質過程、流體動力學及複雜流體物理等，其研究目標是理解基本物理現象、為相關研究領域提供基礎原理框架和對流動及傳輸的基本理解。在空間微重力環境下，重力水平僅為10-3-10-5×g，許多地面重力場引起的物理過程（如重力驅動的沉降過程及浮力對流）不再發生，從而為流體物理規律和機理研究開拓了新的領域。微重力流體物理研究著重揭示有自由面或界面的熱毛細作用機理，深入研究多相流及複雜流體的運動，在學科上做出有重大創新的成果；加強流體物理與材料科學和生命科學等其他學科的結合，發展新的交叉學科；促進學術成果向高技術應用方面的轉移。在上述學術思想指導下，國家微重力實驗室通過科學實驗【包括地基實驗、短時微重力實驗（落塔、失重飛機和火箭）和空間實驗（衛星、飛船、空間站）】、理論研究【理論分析和數值模擬】與流體物理基本問題緊密結合的方式，開展流體結構和動力學、多相流和複雜流體運動規律等方面研究。

微重力燃燒是微重力科學與應用的重要組成部分，具有重要的理論意義和明確的應用目標。國家微重力實驗室燃燒科學研究涵蓋兩個主要內容：1、研究微重力條件下火災預防、探測和撲滅的基本規律，為載人航天飛行器防火安全提供保障，為發展人類太空活動中保障生命安全和支持太空居住的可靠技術提供科學依據和基本數據；2、利用微重力環境提供的獨特、有利條件，深入探索燃燒過程的基本規律和特性，促進對燃燒和其它化學反應過程的深入認識，並使研究成果轉化到地基實際應用中。國家微重力實驗室根據我國經濟與科技發展現狀與國家戰略發展目標制定微重力燃燒領域發展規劃，選擇對我國能源和環境發展可能產生重大影響的基礎研究項目、與載人航天器防火安全直接相關的應用基礎項目，綜合運用空間實驗和地基研究手段開展微重力燃燒研究。

空間材料科學主要研究與流動及凝固過程緊密相關的材料製備過程及其形成機理，並運用空間實驗成果指導和改進地基材料製備過程，發展新工藝、新方法。國家微重力實驗室材料科學研究涵蓋三個主要研究內容：1、研究以非晶合金為代表的塊體亞穩金屬合金材料的形成機理，以及物理、力學性能；2、研究膠體體系中自組裝現象及其受流動、蒸發過程的影響，研究與自組裝現象相關材料製備過程；3、開展相關應用基礎研究，如塊體亞穩材料的組織控制機制、結構和功能非晶合金物理和力學性能的基礎問題、功能性納米結構材料及器件製備、吸聲複合材料等。國家微重力實驗室通過空間材料科學的基礎研究及應用基礎研究，凝練空間實驗課題，提高參與國家重大空間科學計劃的能力，並為地基生物材料、化工產品及半導體器件研製等方面的應用做出貢獻。

國家微重力實驗室生物力學研究涵蓋分子力學、（亞）細胞力學、空間細胞生物學與空間生物技術三個方面；發展思路是以抗體藥物設計與評價平台、空間細胞-分子生物力學為需求依託，開展蛋白質間相互作用與組裝、細胞-亞細胞力學-生物學耦合定量研究；總體目標是定量認識生物大分子相互作用與組裝對細胞識別、粘附與聚集等動力學過程的影響，闡明力學刺激（尤其是微重力）下細胞的生物學響應、力學-生物學耦合規律，發展空間細胞生物學研究和空間生物技術的新概念、新方法。上述研究將在細胞、亞細胞和分子水平上認識炎症反應、腫瘤轉移等重要生物學過程的生物力學規律，區分重力對細胞的直接與間接作用。

國家微重力實驗室納米生物技術研究目標是發展新型光學無標記蛋白質晶元生物感測器，並從機理、方法、技術實現和應用等多方面開展深入研究，發展新型交叉學科。面向科研和社會需求，繼續發展基於橢偏成像的蛋白質晶元生物感測器，使之成為實用技術；同時，將倏逝波相敏成像、表面信號增強、集成微流控和低雜訊成像等新型科技方法和技術有機地結合起來，發展新型光學無標記蛋白質晶元生物感測器。加強人才培養，逐漸形成一支多學科知識和人才互補的研究隊伍，使之勝任學科交叉研究。

NML實驗室學術委員會主任胡文瑞 院士中國科學院力學研究所

NML實驗室學術委員會副主任

徐建中 院士中國科學院工程熱物理研究所

李椿萱 院士 北京航空航天大學

學術委員會委員名單

序號 姓 名 專業 職稱/職務 單 位

1胡文瑞 流體力學 院 士 中國科學院力學研究所

2徐建中 熱物理 院 士 中國科學院工程熱物理研究所

3李椿萱 計算流體力學 院 士 北京航空航天大學

4李依依 金屬材料 院 士 中國科學院瀋陽金屬研究所

5顧逸東 空間系統工程 院 士中國科學院光電研究院

6王大成 生物物理 院 士 中國科學院生物物理研究所

7陳諾夫 半導體材料 研究員中國科學院半導體研究所

8劉鳴華 化學 研究員 中國科學院基礎局

9康琦 流體力學 研究員 中國科學院力學研究所

10龍勉 生物力學 研究員 中國科學院力學研究所

11聶玉昕 材料物理 研究員中國科學院物理研究所

12 湯章城植物生理 研究員中國科學院上海生命科學院

13 唐澤眉 流體力學 研究員 中國科學院力學研究所

14陶祖萊 生物力學 研究員 中國科學院力學研究所

15汪衛華 材料物理 研究員 中國科學院物理研究所

秘書 王育人 材料物理 研究員 中國科學院力學研究所

流動穩定性與複雜流體

實驗流體力學

微重力熱科學

分子-細胞生物力學與空間生命科學

微重力材料科學

微重力總體技術

光學生物

空間流體行為和界面現象研究