微重力科学是研究物质（体）在失重环境下的行为和相互作用的学科，是现代科学技术前沿的重要领域。由于完全失重——真正的零重力很难达到，通常就以带有微小残余重力作为实验条件进行研究。我们所说的微重力是指失重实验能够达到地球重力的千分之几到百万分之几（“微”即是10^-6）的状态。在微重力条件下，许多日常生活中被重力掩盖的现象凸显出来，如毛细对流；而有些我们司空见惯的现象在微重力条件下则会有完全不同的表现，如图1所示的蜡烛火焰，以及沸腾传热等。

常重力(1g) 落塔(mg)

图1 落塔蜡烛火焰实验

实现微重力的方法主要有人造卫星及空间站、探空火箭、失重飞机以及落塔等。其中，微重力落塔是一种成本低廉、方便快捷的实验方法。

进入本世纪以来，我国对微重力科学的研究已经从理论研究的探索阶段朝向实验研究以及空间技术应用的深度发展。随着神舟飞船载人航天及成功建立空间站，开发利用外层空间、探索深层空间等计划已经成为当前我国科技发展的重要战略目标之一。中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京落塔（如图2所示）作为我国进行微重力科学与应用空间技术研究的重要设施，在技术性能上可比肩国际同类设施。它可以满足我国空间计划一些重要项目预研的需要，也显示了我国微重力科学技术的实力。

图2 北京落塔

北京落塔于2003年建成并开始微重力科学实验，是我国自行研制的亚洲最高，世界第三的地基微重力科学实验设施。落塔地上总高116米，地下8米。落塔设施主要由实验舱组件、提升及电磁释放系统、回收系统、中控系统、测量控制及辅助设施组成。目前是我国稳定运行时间最长的地基微重力科学研究自由落体实验设施。北京落塔既是国内最经济的微重力科学实验平台，又可满足微重力科学技术领域的实验需求。

对比国内外同类落塔实验设施，北京落塔具有运营及维护成本低，系统运行稳定可靠，回收过载小，实验快捷方便，地面检测系统完善等鲜明的技术特色。

落塔微重力实验原理

当实验舱在落塔通道自由下落时，实验舱内即可获得微重力环境。在实验舱下落过程中，重力提供了向下的加速度，舱内的设备不再受到外力的影响——处于一种“失重”的漂浮状态。但实际上由于存在空气阻力、设备振动等因素的影响，总会有一些微小的干扰力——微重力存在。

北京落塔微重力实验有两种舱型，分为单舱和双舱。微重力时间均为3.6秒。单舱能够提供的微重力水平10^-3g-10^-2g，主要应用于对微重力水平要求不是很高但装置较大的实验研究，单舱有效实验载荷可达160kg。为了满足更高微重力水平的要求，在实验过程中减少外界环境的干扰，我们采用了内外双舱结构。这种结构是在实验外舱中装入内舱，实验装置安装在内舱里，内外舱之间抽真空。当外舱在空气中下落时，内舱在外舱提供的真空环境中下落。这样内舱的下落过程就更“自由”了，因而其微重力水平也更高。我们利用这种特有的双舱结构达到了10^-5g的微重力水平。这使得许多需要在太空中进行的实验，可以在地面上进行初步的探索和实验验证。双舱有效实验载荷为30kg。

测量与控制系统是落塔实验设施的重要组成部分，可检测并记录实验过程的微重力曲线、显示微重力状态及实施控制等，可以通过遥传图像、回讯状态对实验过程进行实时监控，并根据需要进行干预，以取得最为满意的实验结果。

落塔配备有完善的充电及地面检测设备，可提供各种微重力实验的技术支持。实验人员可以在地面模拟（微重力）实验过程。通过图像监控、实验控制输出与回讯检测，对实验流程进行地面预调试，发现问题可及时处理。这样就基本保证了正式微重力实验中的成功率。

落塔实验应用及研究领域

北京落塔可进行微重力流体物理、非金属材料燃烧、空间技术验证、空间材料科学、空间生物技术，微重力液体管理、沸腾传热以及固体微细颗粒流型等实验研究，为航天飞行器载荷搭载实验及空间防火技术预研提供便利的实验手段。在落塔开展的某些高精度微重力传感仪器的研制试验，其结果对空间科学技术发展具有重要的参考价值。落塔是我国研究载人航天、微重力科学诸多学科的科学家们进行微重力实验研究不可或缺的平台，同时也可作为进行微重力科普教育，提高全民科学素养的基地。

从建成至今，北京落塔已运行20多年，一直承担着国内绝大部分的地基微重力试验任务，在微重力科学基础研究和支撑国家重大项目建设等方面发挥了积极作用。累计已经完成了1000多次微重力实验，依据落塔实验结果发表相关论文200多篇。其中服务重大科研实验任务如：实践十号科学实验卫星上的流体、燃烧、沸腾传热等多项实验，天宫二号空间实验室任务中的液桥热毛细对流实验，太极一号微重力技术实验卫星任务中的加速度验证试验、天舟一号货运飞船任务中的冷凝蒸发实验、空间站梦天实验舱流体物理实验柜和两相系统实验柜的地面预研实验、天问二号小行星探测任务中的机械臂采样和小行星星壤力学特性试验等。这些都是在北京落塔开展的微重力实验基础上，验证、改进和完善了相关技术方案，保证了空间任务的顺利实施和圆满成功。

为了满足不同的科研需求，北京落塔也在不断地开展着技术创新，先后扩展性研发了变重力双舱实验系统和低重力实验平台。既能提供多种微重力水平模拟实验环境，又能模拟月球和火星等表面的低重力环境。这样，结合地面常重力对比实验，北京落塔可以提供涵盖10^-5g～1g范围宽域重力条件的模拟试验范围，能够更好地支撑我国地基短时低、微重力实验研究和空间新技术试验验证等。

今后，我们将坚持“四个面向”，拓展与相关科研机构的合作，积极探索，不断优化设备和扩展实验项目，努力把北京落塔建设成为微重力科学研究及为航天科技相关服务的重要基地。