中國空間站時代的太空課堂開課！
本報記者 樊 巍 本報特約記者 王 然
12月9日，中國空間站的首次太空授課在中國空間站和設在中國科技館的地面主課堂以及設在廣西、四川、香港、澳門的地面分課堂同步進行。三名航天員翟志剛、王亞平、葉光富演示了質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球等五個基礎實驗。
天宮課堂首次開課，內容有講究
天宮課堂的首次開課選擇的授課內容有什麼講究？每一項實驗背後又藴含着什麼知識？《環球時報》記者就此採訪參與了此次太空授課“備課”過程的科普專家。
在9日的太空授課中，三名航天員首先為大家展示在太空中轉身的神奇現象。這個地面上的普通動作，在太空中卻隱藏着很多物理知識。中國科技館科普講師團副團長陳徵告訴《環球時報》記者，太空轉身實驗的核心關鍵詞叫作角動量。角動量是描述物體轉動的物理量。這個實驗所展現的是在微重力環境中，航天員在不接觸空間站的情況下，類似於理想狀態下驗證“沒有外力矩，物體會處於角動量守恆”。航天員上半身向左轉動時，按照角動量守恆的原則，下半身就會向右轉。
另一個動作是航天員伸展身體的時候，因為質量分佈得離旋轉軸比較遠，轉動慣性比較大，所以角速度就減慢，通俗地説就是轉得慢了。而當把四肢收回時，轉動慣性小，角速度就會增加，直觀感受就是轉動速度變快了。
在很多科幻電影中都曾出現過這樣的鏡頭：一旦重力消失，浮力也就沒了。王亞平所開展的浮力消失實驗，展現的就是這一現象。陳徵告訴《環球時報》記者，這項實驗所展現的是浮力和重力伴生的現象。浮力來源於重力引起的液體在不同深度的壓強差。當重力消失時，液體內部壓強相同，浮力也就消失了。在地球表面難以讓重力消失，這個實驗無法直觀地展示出來。在空間站的微重力條件下，浮力和重力之間的伴生關係可以清楚地顯現。
航天員葉光富所展示的太空水球光學實驗，則同時展現三個物理原理。陳徵介紹稱，當航天員往水球中打入一個氣泡，因為在太空中浮力已經消失了，所以氣泡不會向上飄，而是老老實實待在水球中，水球因此被氣泡變為了兩部分，中間是空氣，氣泡周圍是水。整個水球就變成兩個透鏡，外圈成為凸透鏡，呈現出一個倒立的像；內圈相當於變成兩個凹透鏡的組合，出現了一個正立的像。因此可以在水球中同時看到一正一倒的兩個像。
這項實驗其實體現了三個物理現象：首先是在失重環境下，水滴會在表面張力的作用下收縮成一個接近完美球體的水球，而在地面上，因為受重力影響，水滴不可能形成完美的水球。其次，這個水球可以被看成是一個凸透鏡，如果站在這個凸透鏡的兩倍焦距以外，看到的就是一個倒立的實像。最後就是在水球中打入一個氣泡，因為太空中浮力消失，這個氣泡就老老實實地待在水球裏邊。
此外，航天員所進行的泡騰片實驗，是本次太空授課中的一項趣味性實驗。陳徵介紹説，在地面環境中，將泡騰片扔進水裏，能看到氣泡上浮。在空間站的失重環境中，因為浮力的消失，泡騰片扔進水中產生的氣泡不再上浮，而是相互擠壓，這個水球也會被氣泡撐得更大，能看到水球逐漸膨脹的效果。
陳徵表示，空間站和地面最大的不同就是前者是微重力環境。微重力環境對常人而言只是一個名詞，但通過這些實驗，大家就能知道微重力環境下，許多物理現象都和地面環境存在巨大差異。據介紹，太空授課之所以選擇這幾項物理實驗，是基於多方面的考慮。首先是從安全的角度而言，太空授課開展的實驗一定是以保障空間站的正常運行為前提。
其次是從教學的角度而言，天上和地下有着明顯的區別，所以需要挑選一些能看出明顯天地差異的實驗項目，這樣才能夠讓大家直觀感受到空間站太空環境和地面環境的不同。
最後是希望太空授課的實驗內容和過程不會對航天員造成過重的負擔。因為航天員在空間站的工作非常繁忙，工作量非常大。太空授課的內容，操作不應太複雜，應該儘量簡便、能快速展現效果，不能消耗過長的時間。
陳徵表示，太空課堂並不是單純的灌輸知識，在看完這些實驗的內容後，讓孩子們自己去探索還會發生什麼，在地面上去嘗試更多可能的方案。▲
跨越半個地球的“太空授課”如何實現
在長達40餘分鐘的天地授課過程中，中國空間站繞行了地球近半圈，其間，三名太空老師的授課內容始終都能清晰、流暢地傳回地面，這背後展現了中國航天強大的測控技術能力，尤其是中國天基中繼系統——“天鏈”衞星扮演着舉足輕重的角色。
北京空間信息傳輸中心總工程師單長勝在接受《環球時報》記者專訪時表示，作為遠在太空中的中國最高課堂，中國空間站“天宮課堂”位於距離地面400公里左右的近地軌道，大約每90分鐘繞飛地球一圈。其間，受地球曲率遮擋和視線視場問題影響，在大部分時間裏，中國空間站都無法通過國內陸基測控站和海上測量船等地海測控系統與地面建立聯繫，只有在空間站飛臨控制中心或地面測控站附近時才能取得雙向聯繫。依靠傳統手段根本不可能開展即時、無間斷的“太空授課”。
據《環球時報》記者瞭解，2003年中國首名航天員楊利偉順利進入太空後，雖數次通過地面測控站進行“天地通話”，但每次都有着很嚴格的時間窗口限制，因為當時中國境內的測控站有效保持通信的時間僅在10分鐘左右。
確保航天器與地面無間斷聯繫的難題也曾困擾着美俄（蘇）兩個航天大國。在冷戰期間，美蘇各自在全球多國設有地面測控站，並研製了大量用於測控的飛機和測控船，但即便是這樣，也無法完全滿足對近地軌道航天器實現無間斷測控的需求。直到1983年，美國從“挑戰者”號航天飛機上發射了人類第一顆跟蹤和數據中繼衞星，開創了天基測控的新時代。
單長勝告訴《環球時報》記者，中繼衞星通常位於距地球3萬多公里的地球同步軌道上，它極大地提高了對中、低軌道航天器的測控和數據傳輸的覆蓋率，一顆中繼衞星就可以覆蓋近1/3的地球，而三顆中繼衞星實現組網可以覆蓋整個地球。
2008年，代號“天鏈”的中國中繼衞星工程正式開建，運用天鏈衞星在天地之間搭建了高速的信息通道，因此有了一個浪漫的任務代號——“天路”。
當年4月25日，天鏈一號01星成功發射，這標誌着我國從此擁有了太空數據的“中轉站”，它可以為中、低軌道的航天器提供天基測控、數據中繼與測定軌服務，相當於把地面測控數傳站升高到幾萬公里的軌道高度，既提高了數據回傳時效性，又增強了應急協調聯動能力。
單長勝介紹稱，一顆天鏈衞星能觀測到中低軌道航天器的一半軌道，兩顆天鏈衞星能覆蓋大部分軌道，三顆天鏈衞星組網就可以實現全球覆蓋。中國首名太空行走的航天員翟志剛創造的“我已出艙，感覺良好”經典一瞬，正是通過天鏈一號01星即時傳回地面。
2012年7月25日，天鏈一號03星發射成功，三顆衞星組網運行，正式實現對中、低軌航天器近100%的軌道覆蓋，我國也正式成為世界第二個擁有對中低軌航天器具備全球覆蓋能力的中繼衞星系統的國家。正是依託於“天鏈”系統，中國有能力展開“太空授課”活動。2013年，航天員王亞平在“神舟十號與天宮一號”組合體中首次給全國中小學生進行了一次生動的太空授課，“天鏈”衞星與地面站、測量船共同搭建了天地即時視頻直播系統，授課時長達50分鐘。
此次“太空授課”，新一代的中國“天鏈”展現了更強大的功能。單長勝稱，隨着“天鏈一號”04星和“天鏈二號”01星的加入，“天鏈”的傳輸速率大大提升，帶來的是更加清晰的話音和更為流暢的畫面。▲