4月29日，中國空間站天和核心艙在海南文昌發射場成功發射，我國載人航天工程開啟新的征程。

（圖片來源：央視新聞）

天和核心艙成功發射之後，我國將陸續發射問天實驗艙和夢天實驗艙，三個(ge) 艙組合成一個(ge) T字形構型，將在未來十幾年內(nei) 支持大量科學研究和實驗。

我們(men) 的空間站就是國家級太空實驗室！我們(men) 的太空實驗室裏有什麽(me) ？又怎麽(me) 在太空做實驗？

一、 太空實驗室裏有什麽(me) ？

我們(men) 為(wei) 什麽(me) 需要太空實驗室？原因大致有下麵四點：

第一， 能夠提供長期的微重力實驗條件。利用微重力條件能揭示重力掩蓋下的物質的特殊規律。

第二，航天員可以在軌進行實驗操作、更換實驗設施和實驗設備，長期開展實驗。

第三，在一定的軌道高度上，方便開展天文觀測和地球觀測。

第四，通過天地往返把實驗樣品帶回來，可以在地麵上對樣品進行長期研究，取得新的發現。

簡單來說就是：太空實驗室能夠提供地麵上不存在的實驗環境，在太空環境中利用微重力條件進行各項科學研究，將為(wei) 我國各領域科研與(yu) 應用做出重大貢獻。

你能想象太空中實驗室的樣子嗎？

不是這樣的：

（圖片來源：veer圖庫）

也不是這樣的：

（圖片來源：veer圖庫）

而是這樣的：

核心艙布局示意圖

這裏沒有試管，沒有儀(yi) 器，也沒有忙碌“搬磚”的科學家，有的是一個(ge) 個(ge) ——科學實驗櫃（以下簡稱“實驗櫃”）。

實驗櫃是空間站艙內(nei) 實（試）驗任務開展的主要支持設施。每個(ge) 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，滿足不同學科不同領域空間科學實（試）驗開展的需求。

中國空間站的三個(ge) 艙段艙內(nei) 共布置了13個(ge) 實驗櫃，支持空間生命科學與(yu) 生物技術、微重力流體(ti) 物理、微重力燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理等廣泛領域的空間科學實（試）驗研究。

二、第一梯隊上天，要做什麽(me) 實驗？

核心艙上已經搭載了兩(liang) 個(ge) 實驗櫃，空間站的“第一梯隊”都有誰？會(hui) 進行哪些科學實驗？

1. 高微重力實驗櫃

（1）什麽(me) 是高微重力？

在軌道上運行的航天器處於(yu) 微重力狀態。空間站的微重力水平大約在10-3g~10-5g範圍。如果微重力達到1×10-7g的水平，這就是高微重力的環境了。目前核心艙實驗櫃中的高微重力指標比空間站微重力的指標提升了至少2個(ge) 數量級。

（2）如此高的微重力水平是通過什麽(me) 技術實現的？

實現高微重力的方式，說來很“簡單”（凡爾賽臉~），就是“雙層隔振”：高微重力櫃中的懸浮實驗台由外體(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。

外體(ti) 和內(nei) 體(ti) ，就像套娃（圖片來源：veer圖庫）

係統的核心工作模式有兩(liang) 種：

一種是櫃內(nei) 磁懸浮控製模式，在此模式下，外體(ti) 固連在空間站高微重力櫃內(nei) ，內(nei) 體(ti) 通過主動隔振控製實現10-6g的微重力水平。這個(ge) 模式也被稱為(wei) 單層主動隔振模式。

一種是櫃外跟隨控製模式。在此模式下，懸浮實驗係統整體(ti) 在空間站核心艙的空間內(nei) 飛行，內(nei) 體(ti) 不受控製力，外體(ti) 通過閉環控製回路對內(nei) 體(ti) 進行姿態、軌道的跟隨。由於(yu) 內(nei) 體(ti) 不受引力以外的力，因此能夠實現10-7g的高微重力水平。

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。國際空間站開展過多項艙內(nei) 飛行器的實驗，但這些實驗中飛行器都是獨立的個(ge) 體(ti) ，沒有采用多層的設計。通過多層懸浮的設計實現內(nei) 部的高微重力水平，能夠為(wei) 高精度的科學實驗提供更好的微重力環境。采用無線傳(chuan) 能技術，取消了內(nei) 體(ti) 與(yu) 外體(ti) 間的臍帶線，從(cong) 而減少了內(nei) 體(ti) 所受的幹擾力源，使得更加精細的控製成為(wei) 可能。

（3）這個(ge) 實驗櫃會(hui) 做什麽(me) 實驗？

目前，該實驗櫃計劃開展基於(yu) 冷原子幹涉儀(yi) 的等效原理檢驗技術試驗等微重力實驗。

等效原理是廣義(yi) 相對論的基本假設。廣義(yi) 相對論是一種高度成功的引力理論，廣泛地用於(yu) 天文學和宇宙學的研究。然而廣義(yi) 相對論和量子力學並不兼容。因此人們(men) 提出了一些其他的引力理論試圖對其進行統一。一般預言弱等效原理在某種程度上需要修正。因此對弱等效原理的檢驗將是甄別眾(zhong) 多引力理論、尋找新物理的重要途徑。

2.無容器實驗櫃

（1）什麽(me) 是“無容器”？

通常熔煉物質都需要使用容器承載熔體(ti) ，往往會(hui) 引入雜質，在熔體(ti) 凝固過程中，會(hui) 受器壁影響，生長出複雜的微觀組織形態。“無容器”顧名思義(yi) ，就是不用容器承載，使物體(ti) 在懸空的狀態下實現熔煉的過程。

“無容器”避免了坩堝等器壁對材料表麵的接觸和汙染，能夠抑製異質形核，獲得深過冷。空間的“無容器”還能消除地麵重力引起的熔體(ti) 形變和熔體(ti) 密度分層，利於(yu) 亞(ya) 穩態材料和新型功能材料的開發製備，利於(yu) 熔體(ti) 材料參數測量。

所以，微重力環境下金屬和非金屬無容器深過冷凝固過程與(yu) 機理研究、具有重大應用背景的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科學實驗需要用到“無容器”。

（2）“無容器”如何實現？空間實現“無容器”有哪些難點？

無容器，最關(guan) 鍵是要讓物質克服重力，脫離與(yu) 周圍物質的接觸。在地麵目前有四種常用手段：靜電懸浮、氣懸浮、聲懸浮、磁懸浮。

在太空中實現“無容器”主要通過靜電懸浮的手段。而在空間實現“無容器”的難點主要是：浮得住、控得穩，就是要能將樣品穩定、精確地懸浮在實驗位置，以此獲得穩定的樣品狀態。此外，不同的空間無容器懸浮技術也有各自的難點。

對於(yu) 靜電懸浮的“無容器”，除了“浮得住、控得穩”的難點外，還有“將樣品預先極化，也即給樣品帶上電荷”的難點，因為(wei) 隻有將樣品帶上適合的電荷、樣品才能受到靜電場庫侖(lun) 力作用。

（3）“無容器”實驗櫃如何工作？

目前安排了9項空間材料科學實驗。

無容器實驗櫃通過兩(liang) 種激光器的加熱組合，可以加熱熔化不同的樣品，高熔點樣品溫度可以達到3000℃以上。

這麽(me) 高的溫度，又沒有重力的幹擾，簡直堪比“太上老君的煉丹爐”了。

無容器實驗櫃樣品球采用批量樣品盒，一個(ge) 樣品盒能容納多個(ge) 樣品。每個(ge) 樣品完成無容器懸浮狀態的加熱熔化、參數測量、過冷凝固等實驗過程後，通過位置控製將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，然後通過前後推杆將樣品夾持住，最後推送到樣品盒內(nei) 的樣品存儲(chu) 位置。

航天員對無容器材料實驗櫃的在軌操作主要是進行樣品盒更換。實驗過程中不需要航天員進行直接操作，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。

三、誰在支持科學實驗？

說完了要進行的實驗，我們(men) 要關(guan) 心一下更基礎的問題。

實驗櫃由兩(liang) 部分構成：實驗櫃支撐係統和科學實驗係統。其中，實驗櫃支撐係統是基於(yu) 空間站平台提供的資源，為(wei) 科學實驗係統提供結構安裝接口，熱控液冷、風冷接口，供配電與(yu) 信息采集接口，並對整櫃運營進行管理和過程控製；科學實驗係統是在支撐係統的支持下，實現本實驗櫃的科學功能和性能。

如果把空間站比作一棟房子，那麽(me) 空間站平台就是提供了毛坯房；實驗櫃支撐係統把毛坯房變為(wei) 精裝修；科學實驗係統相當於(yu) 房間內(nei) 的專(zhuan) 用設備，最後可以成為(wei) 麵包房、洗衣房、理發店等。

而實驗櫃支撐係統中最關(guan) 鍵的就是熱控抽屜和流體(ti) 回路。

由於(yu) 每個(ge) 實驗櫃都要配備熱控抽屜，它可以說是空間站空間應用係統配套數量最多的單機產(chan) 品。它需要滿足空間站所有實驗櫃不同科學載荷不同科學實驗及不同工作模式下的散熱及狀態監測需求，還應具備通用性、互換性及在軌可更換性，而且需要在軌長時間工作，時刻保障實驗櫃科學實驗的安全穩定開展。

熱控抽屜的“散熱”任務要依靠流體(ti) 回路來完成。流體(ti) 回路係統提供冷卻工質，收集所有實驗櫃的產(chan) 熱，統一交給空間站平台處理。原理看似簡單，但是流體(ti) 回路的設計約束非常多，重量、尺寸及安裝布局等方麵資源極其有限，產(chan) 品的設計及研製也突破了巨大的技術挑戰。

當我們(men) 期待實驗櫃給我們(men) 帶來科學驚喜時，也不要忘記了還有這些“幕後英雄”。

四、 在地麵“遙控”空間站是怎樣的感覺？

作為(wei) 國家級太空實驗室，中國空間站將在軌運營10年以上，為(wei) 近千項空間科學、應用、技術項目提供高水平科學研究平台。如此繁多的科研任務，如何在太空順利完成？這離不開地麵上的“太空實驗大管家”——有效載荷運行管理團隊。

他們(men) 通過地麵上的有效載荷控製係統來“遙控”空間站，看下麵的運控大廳是不是很有科幻感？

與(yu) 天宮一號、天宮二號等前期任務相比，空間站應用任務具有長期運營、任務領域廣泛、實驗複雜、探索性強、多周期交迭、需求變化快等特點，針對空間站研發的係統能夠滿足多項要求，比如：高可靠性（7×24小時高可靠長時間的穩定運行多年）、高實時性（天地互聯，外太空4Gbps帶寬，毫秒級延時的實時處理）、在線分析、快速決(jue) 策等。

“管家”們(men) 負責空間應用任務各領域在軌任務的統一指揮、調度與(yu) 決(jue) 策，任務規劃、資源分配、載荷控製，數據接收、處理與(yu) 分析、狀態監視、健康管理以及數據共享分發、空間環境保障服務等，要確保在軌各項實（試）驗有序、安全、高效開展，架起地麵科學家、載荷工程師與(yu) 空間實（試）驗的橋梁：地麵上的科學家能夠快速收到空間站裏的科學實驗結果，也能控製空間站裏的實驗，空間站上的載荷專(zhuan) 家也能跟地麵順暢溝通。

五、 我們(men) 已經在路上，未來如何？

幾年來，在實驗櫃係統和載荷控製係統的研製過程中，科學家多次麵臨(lin) 從(cong) 零開始、沒有現成經驗可以借鑒的情況，也麵臨(lin) “要用幾年時間走完國外幾十年探索之路”的局麵，但是，這些“不可能的任務”終於(yu) 被他們(men) 一步步變成了“可能”。

核心艙發射成功後，我國的空間科學與(yu) 應用將跨出奠基性和關(guan) 鍵性的一步。在未來的空間站上，我們(men) 可能一年就能製備和合成上百種材料，完成大量實驗，超過我國過去近三十年的總和。另外，中國空間站合作機會(hui) 對聯合國所有會(hui) 員國開放,尤其是發展中國家。來自17個(ge) 國家的9個(ge) 項目成為(wei) 中國空間站科學實驗首批國際合作項目。

天和的成功不是終點，而是中國太空探索之路的新起點！一千多年前，蘇軾在感歎“不知天上宮闕，今夕是何年？”對於(yu) 今天的中國，天上宮闕不再僅(jin) 僅(jin) 是浪漫的幻想，未來的空間站將會(hui) 成為(wei) “太空母港”，我們(men) 將以空間站為(wei) 第一站，飛向茫茫太空。

這就是中國人的星辰大海！

2019年長五複飛後的測控大廳（圖片來源：微博@我們(men) 的太空 ）

原標題《這次，天和帶了“套娃”和“太上老君的煉丹爐”上天》

編輯：張文韜

審核：中國科學院空間應用工程與(yu) 技術中心


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情