上圖為(wei) 無容器材料實驗櫃，下圖為(wei) 高微重力科學實驗櫃示意圖。中科院空間應用工程與(yu) 技術中心供圖

■本報記者 甘曉

高潔淨、高真空、微重力……太空具備有利於(yu) 開展科學實驗的條件，一直讓科學家向往。但過去多次空間任務中，特定、明確的科學實驗需要的實驗裝置是“專(zhuan) 人專(zhuan) 用”的。這顯然不能滿足科學家的需要——他們(men) 想要滿足不同學科、不同領域的通用“太空實驗室”。

“太空實驗室”主要靠科學實驗櫃實現，每個(ge) 科學實驗櫃都相當於(yu) 一個(ge) 專(zhuan) 業(ye) 學科或研究領域的實驗研究平台。日前成功發射的“天和”核心艙安排上了！艙內(nei) 配置了無容器實驗櫃和高微重力實驗櫃等兩(liang) 個(ge) 科學實驗櫃，均利用了空間中的微重力環境，通過創新設計，實現科學實驗所需的條件。科學實驗櫃的總體(ti) 任務由中科院空間應用工程與(yu) 技術中心組織承擔。

無容器實驗櫃：純淨“液滴”不是夢

“無容器”狀態是材料科學家夢寐以求的一種實驗條件。一幅直觀形象的畫麵有利於(yu) 理解它：熔融的金屬或者非金屬材料成為(wei) 液滴，飄浮在空中。這時，“液滴”不會(hui) 和容器壁接觸而受到汙染，“純淨”材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體(ti) 狀態。

中科院空間應用工程與(yu) 技術中心無容器材料實驗櫃主任設計師張立憲介紹，“無容器”環境下，科學家有望實現對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與(yu) 機理”研究、新型功能材料製備研究、高溫熔體(ti) 的熱物性精確測量研究等。

據了解，地麵上讓“液滴”飄起來實現“無容器”，需要利用某種外力抵消“液滴”本身的重力，包括利用氣浮力的氣懸浮、聲輻射壓力的聲懸浮、靜電場庫侖(lun) 力的靜電懸浮、電磁力的電磁懸浮等。“空間實現‘無容器’則難在浮得住、控得穩，就是能將樣品穩定、精確地懸浮在實驗位置，以獲得穩定的樣品狀態。”張立憲介紹。

為(wei) 此，來自中科院空間應用工程與(yu) 技術中心的研究人員基於(yu) 靜電懸浮技術，為(wei) “天和”核心艙開發了一套全新的無容器材料實驗櫃。

張立憲表示，實際運行中，一個(ge) 樣品盒可以容納29個(ge) 樣品。一次實驗有以下幾個(ge) 步驟：完成真空或者氬氣加壓的實驗環境準備；樣品盒釋放樣品；位控係統捕獲釋放樣品，對樣品進行懸浮位置控製；激光器加熱熔化樣品，高熔點樣品溫度可以達到3000攝氏度以上；開展熱物性參數測量；冷凝固樣品；位置控製將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前後推杆將樣品夾持住，再推送到樣品盒內(nei) 的樣品存儲(chu) 位置。

“整個(ge) 過程中不需要航天員進行直接操作，而是主要通過注入指令執行，地麵工作人員可以實時監控實驗開展。”張立憲介紹。

將來，航天員入駐後，將在無容器實驗櫃上進行方便的“傻瓜式”操作，即取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒。

高微重力實驗櫃：雙層“隔振”挑戰極限

2013年，神舟十號飛船內(nei) ，航天員向公眾(zhong) 直播了微重力狀態下的“真人秀”。指令長聶海勝盤起腿，玩起了“懸空打坐”。王亞(ya) 平用手指輕輕一推，聶海勝搖搖晃晃向遠處飄去。

對於(yu) 科學實驗而言，太空中的微重力環境能夠提供地麵上難以得到的極限條件，有望獲得新發現。但像“天和”核心艙這樣在軌道上運行的航天器，其微重力狀態源於(yu) 航天器受到的合力和航天器繞地球軌道飛行的向心力相等。

“這並不是一種絕對意義(yi) 上的微重力。”中科院空間應用工程與(yu) 技術中心高微重力科學實驗櫃主任設計師李宗峰介紹，“實際上，在軌運行的航天器不僅(jin) 會(hui) 受到地球的引力，也會(hui) 受到太陽光壓、大氣阻力等多種攝動力的影響。航天器受到的合力不可能與(yu) 軌道運動所需的向心力完美相等。”

因此，兩(liang) 者之間的差異意味著航天器上存在不同程度的“微重力水平”。一般而言，空間站的微重力水平大約在10-3g至10-5g。而在為(wei) “天和”核心艙研製的高微重力科學實驗櫃研製中，來自中科院空間應用工程與(yu) 技術中心的研究人員將微重力水平提升了至少兩(liang) 個(ge) 數量級，達到10-7g水平。他們(men) 怎麽(me) 做到的？

“對於(yu) 10-7g這種量級的高微重力水平，很多平常不起眼的因素都會(hui) 造成破壞性影響。這些影響因素包括空間站整體(ti) 環境、空間站艙內(nei) 氣流以及實驗載荷本身的力學性質等。”李宗峰解釋道。而消除這些影響因素的策略則可以被總結為(wei) “隔振”二字。

為(wei) 此，研究人員設計了雙層實驗係統，還讓它們(men) 分別“懸浮”起來，從(cong) 而最大程度上消除振動，完成微重力水平的極限挑戰。這一係統由外體(ti) 和內(nei) 體(ti) 組成，科學載荷安裝於(yu) 內(nei) 體(ti) 上，外體(ti) 隔離外部的各種擾動力。

其核心工作模式有兩(liang) 種。第一種為(wei) “櫃內(nei) 磁懸浮控製模式”，也被稱為(wei) “單層主動隔振模式”。工作狀態下，外體(ti) 固定在實驗櫃中，內(nei) 體(ti) 通過主動隔振控製實現10-6g的微重力水平。“這一模式已在天舟一號上得到了驗證。”李宗峰說。第二種為(wei) “櫃外跟隨控製模式”。工作狀態下，內(nei) 外體(ti) 實驗係統整體(ti) 在核心艙的空間內(nei) 飛行，內(nei) 體(ti) 不受控製力，外體(ti) 用精心設計的控製回路對內(nei) 體(ti) 進行姿態、軌道跟隨。這時，由於(yu) 內(nei) 體(ti) 不受引力以外的力，就能夠實現10-7g的高微重力水平。

據了解，這是國際上首次在空間站艙內(nei) 采用雙層懸浮的模式實現內(nei) 體(ti) 的高微重力水平，有望為(wei) 高精度的科學實驗提供更好的微重力環境。

李宗峰表示，目前計劃開展基於(yu) 冷原子幹涉儀(yi) 的“等效原理”檢驗技術試驗，以期為(wei) 甄別眾(zhong) 多引力理論、尋找新物理提供證據。