中国空间站时代的太空课堂开课！
本报记者 樊 巍 本报特约记者 王 然
12月9日，中国空间站的首次太空授课在中国空间站和设在中国科技馆的地面主课堂以及设在广西、四川、香港、澳门的地面分课堂同步进行。三名航天员翟志刚、王亚平、叶光富演示了质量测量、单摆运动、陀螺、水膜和水球等五个基础实验。
天宫课堂首次开课，内容有讲究
天宫课堂的首次开课选择的授课内容有什么讲究？每一项实验背后又蕴含着什么知识？《环球时报》记者就此采访参与了此次太空授课“备课”过程的科普专家。
在9日的太空授课中，三名航天员首先为大家展示在太空中转身的神奇现象。这个地面上的普通动作，在太空中却隐藏着很多物理知识。中国科技馆科普讲师团副团长陈征告诉《环球时报》记者，太空转身实验的核心关键词叫作角动量。角动量是描述物体转动的物理量。这个实验所展现的是在微重力环境中，航天员在不接触空间站的情况下，类似于理想状态下验证“没有外力矩，物体会处于角动量守恒”。航天员上半身向左转动时，按照角动量守恒的原则，下半身就会向右转。
另一个动作是航天员伸展身体的时候，因为质量分布得离旋转轴比较远，转动惯性比较大，所以角速度就减慢，通俗地说就是转得慢了。而当把四肢收回时，转动惯性小，角速度就会增加，直观感受就是转动速度变快了。
在很多科幻电影中都曾出现过这样的镜头：一旦重力消失，浮力也就没了。王亚平所开展的浮力消失实验，展现的就是这一现象。陈征告诉《环球时报》记者，这项实验所展现的是浮力和重力伴生的现象。浮力来源于重力引起的液体在不同深度的压强差。当重力消失时，液体内部压强相同，浮力也就消失了。在地球表面难以让重力消失，这个实验无法直观地展示出来。在空间站的微重力条件下，浮力和重力之间的伴生关系可以清楚地显现。
航天员叶光富所展示的太空水球光学实验，则同时展现三个物理原理。陈征介绍称，当航天员往水球中打入一个气泡，因为在太空中浮力已经消失了，所以气泡不会向上飘，而是老老实实待在水球中，水球因此被气泡变为了两部分，中间是空气，气泡周围是水。整个水球就变成两个透镜，外圈成为凸透镜，呈现出一个倒立的像；内圈相当于变成两个凹透镜的组合，出现了一个正立的像。因此可以在水球中同时看到一正一倒的两个像。
这项实验其实体现了三个物理现象：首先是在失重环境下，水滴会在表面张力的作用下收缩成一个接近完美球体的水球，而在地面上，因为受重力影响，水滴不可能形成完美的水球。其次，这个水球可以被看成是一个凸透镜，如果站在这个凸透镜的两倍焦距以外，看到的就是一个倒立的实像。最后就是在水球中打入一个气泡，因为太空中浮力消失，这个气泡就老老实实地待在水球里边。
此外，航天员所进行的泡腾片实验，是本次太空授课中的一项趣味性实验。陈征介绍说，在地面环境中，将泡腾片扔进水里，能看到气泡上浮。在空间站的失重环境中，因为浮力的消失，泡腾片扔进水中产生的气泡不再上浮，而是相互挤压，这个水球也会被气泡撑得更大，能看到水球逐渐膨胀的效果。
陈征表示，空间站和地面最大的不同就是前者是微重力环境。微重力环境对常人而言只是一个名词，但通过这些实验，大家就能知道微重力环境下，许多物理现象都和地面环境存在巨大差异。据介绍，太空授课之所以选择这几项物理实验，是基于多方面的考虑。首先是从安全的角度而言，太空授课开展的实验一定是以保障空间站的正常运行为前提。
其次是从教学的角度而言，天上和地下有着明显的区别，所以需要挑选一些能看出明显天地差异的实验项目，这样才能够让大家直观感受到空间站太空环境和地面环境的不同。
最后是希望太空授课的实验内容和过程不会对航天员造成过重的负担。因为航天员在空间站的工作非常繁忙，工作量非常大。太空授课的内容，操作不应太复杂，应该尽量简便、能快速展现效果，不能消耗过长的时间。
陈征表示，太空课堂并不是单纯的灌输知识，在看完这些实验的内容后，让孩子们自己去探索还会发生什么，在地面上去尝试更多可能的方案。▲
跨越半个地球的“太空授课”如何实现
在长达40余分钟的天地授课过程中，中国空间站绕行了地球近半圈，其间，三名太空老师的授课内容始终都能清晰、流畅地传回地面，这背后展现了中国航天强大的测控技术能力，尤其是中国天基中继系统——“天链”卫星扮演着举足轻重的角色。
北京空间信息传输中心总工程师单长胜在接受《环球时报》记者专访时表示，作为远在太空中的中国最高课堂，中国空间站“天宫课堂”位于距离地面400公里左右的近地轨道，大约每90分钟绕飞地球一圈。其间，受地球曲率遮挡和视线视场问题影响，在大部分时间里，中国空间站都无法通过国内陆基测控站和海上测量船等地海测控系统与地面建立联系，只有在空间站飞临控制中心或地面测控站附近时才能取得双向联系。依靠传统手段根本不可能开展实时、无间断的“太空授课”。
据《环球时报》记者了解，2003年中国首名航天员杨利伟顺利进入太空后，虽数次通过地面测控站进行“天地通话”，但每次都有着很严格的时间窗口限制，因为当时中国境内的测控站有效保持通信的时间仅在10分钟左右。
确保航天器与地面无间断联系的难题也曾困扰着美俄（苏）两个航天大国。在冷战期间，美苏各自在全球多国设有地面测控站，并研制了大量用于测控的飞机和测控船，但即便是这样，也无法完全满足对近地轨道航天器实现无间断测控的需求。直到1983年，美国从“挑战者”号航天飞机上发射了人类第一颗跟踪和数据中继卫星，开创了天基测控的新时代。
单长胜告诉《环球时报》记者，中继卫星通常位于距地球3万多公里的地球同步轨道上，它极大地提高了对中、低轨道航天器的测控和数据传输的覆盖率，一颗中继卫星就可以覆盖近1/3的地球，而三颗中继卫星实现组网可以覆盖整个地球。
2008年，代号“天链”的中国中继卫星工程正式开建，运用天链卫星在天地之间搭建了高速的信息通道，因此有了一个浪漫的任务代号——“天路”。
当年4月25日，天链一号01星成功发射，这标志着我国从此拥有了太空数据的“中转站”，它可以为中、低轨道的航天器提供天基测控、数据中继与测定轨服务，相当于把地面测控数传站升高到几万公里的轨道高度，既提高了数据回传时效性，又增强了应急协调联动能力。
单长胜介绍称，一颗天链卫星能观测到中低轨道航天器的一半轨道，两颗天链卫星能覆盖大部分轨道，三颗天链卫星组网就可以实现全球覆盖。中国首名太空行走的航天员翟志刚创造的“我已出舱，感觉良好”经典一瞬，正是通过天链一号01星实时传回地面。
2012年7月25日，天链一号03星发射成功，三颗卫星组网运行，正式实现对中、低轨航天器近100%的轨道覆盖，我国也正式成为世界第二个拥有对中低轨航天器具备全球覆盖能力的中继卫星系统的国家。正是依托于“天链”系统，中国有能力展开“太空授课”活动。2013年，航天员王亚平在“神舟十号与天宫一号”组合体中首次给全国中小学生进行了一次生动的太空授课，“天链”卫星与地面站、测量船共同搭建了天地实时视频直播系统，授课时长达50分钟。
此次“太空授课”，新一代的中国“天链”展现了更强大的功能。单长胜称，随着“天链一号”04星和“天链二号”01星的加入，“天链”的传输速率大大提升，带来的是更加清晰的话音和更为流畅的画面。▲