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

中國科學(xué)院大學(xué)天文學(xué)專業(yè)2017級本科生張博聞和2018級本科生傅溟翔正在海南文昌開展紫外天文立方星科研實(shí)踐。當(dāng)?shù)弥軌蜃鳛榇憩F(xiàn)場觀看天和核心艙發(fā)射時，張博聞和傅溟翔既激動又期待。

“能現(xiàn)場親眼觀看天和核心艙升空，見證中國載人航天新時代的大幕拉開，內(nèi)心無比喜悅，致敬中國航天工作者。作為國科大學(xué)子，我們希望盡自己所能為邁向天文強(qiáng)國而奮斗?！彼麄冋f道。

現(xiàn)在，讓我們看一場“發(fā)布會”

太空黑科技！中國空間站“新艙”超燃發(fā)布

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天和核心艙成功發(fā)射之后，我國將陸續(xù)發(fā)射問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙，三個艙組合成一個T字形構(gòu)型，將在未來十幾年內(nèi)支持大量科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。

我們的空間站就是國家級太空實(shí)驗(yàn)室！我們的太空實(shí)驗(yàn)室里有什么？又怎么在太空做實(shí)驗(yàn)？ 

我們?yōu)槭裁葱枰諏?shí)驗(yàn)室？原因大致有下面四點(diǎn)：

第一， 能夠提供長期的微重力實(shí)驗(yàn)條件。利用微重力條件能揭示重力掩蓋下的物質(zhì)的特殊規(guī)律。

第二，航天員可以在軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、更換實(shí)驗(yàn)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，長期開展實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)樣品帶回來，可以在地面上對樣品進(jìn)行長期研究，取得新的發(fā)現(xiàn)。

簡單來說就是：太空實(shí)驗(yàn)室能夠提供地面上不存在的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在太空環(huán)境中利用微重力條件進(jìn)行各項(xiàng)科學(xué)研究，將為我國各領(lǐng)域科研與應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)。 

你能想象太空中實(shí)驗(yàn)室的樣子嗎？

不是這樣的：

也不是這樣的：

而是這樣的：

核心艙布局示意圖

這里沒有試管，沒有儀器，也沒有忙碌“搬磚”的科學(xué)家，有的是一個個——科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（以下簡稱“實(shí)驗(yàn)柜”）。

實(shí)驗(yàn)柜是空間站艙內(nèi)實(shí)（試）驗(yàn)任務(wù)開展的主要支持設(shè)施。每個實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個專業(yè)學(xué)科或研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究平臺，滿足不同學(xué)科不同領(lǐng)域空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)開展的需求。

中國空間站的三個艙段艙內(nèi)共布置了13個實(shí)驗(yàn)柜，支持空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理等廣泛領(lǐng)域的空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)研究。

核心艙上已經(jīng)搭載了兩個實(shí)驗(yàn)柜，空間站的“第一梯隊(duì)”都有誰？會進(jìn)行哪些科學(xué)實(shí)驗(yàn)？

（1）什么是高微重力？

在軌道上運(yùn)行的航天器處于微重力狀態(tài)?？臻g站的微重力水平大約在10^-3g~10^-5g范圍。如果微重力達(dá)到1×10-7g的水平，這就是高微重力的環(huán)境了。目前核心艙實(shí)驗(yàn)柜中的高微重力指標(biāo)比空間站微重力的指標(biāo)提升了至少2個數(shù)量級。

（2）如此高的微重力水平是通過什么技術(shù)實(shí)現(xiàn)的？

實(shí)現(xiàn)高微重力的方式，說來很“簡單”（凡爾賽臉~），就是“雙層隔振”：高微重力柜中的懸浮實(shí)驗(yàn)臺由外體和內(nèi)體組成，科學(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，外體隔離外部的各種擾動力。

外體和內(nèi)體，就像套娃

系統(tǒng)的核心工作模式有兩種：

一種是柜內(nèi)磁懸浮控制模式，在此模式下，外體固連在空間站高微重力柜內(nèi)，內(nèi)體通過主動隔振控制實(shí)現(xiàn)10-6g的微重力水平。這個模式也被稱為單層主動隔振模式。

一種是柜外跟隨控制模式。在此模式下，懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體在空間站核心艙的空間內(nèi)飛行，內(nèi)體不受控制力，外體通過閉環(huán)控制回路對內(nèi)體進(jìn)行姿態(tài)、軌道的跟隨。由于內(nèi)體不受引力以外的力，因此能夠?qū)崿F(xiàn)10-7g的高微重力水平。

這是國際上首次在空間站艙內(nèi)采用雙層懸浮的模式實(shí)現(xiàn)內(nèi)體的高微重力水平。國際空間站開展過多項(xiàng)艙內(nèi)飛行器的實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)中飛行器都是獨(dú)立的個體，沒有采用多層的設(shè)計(jì)。通過多層懸浮的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的高微重力水平，能夠?yàn)楦呔鹊目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)提供更好的微重力環(huán)境。采用無線傳能技術(shù)，取消了內(nèi)體與外體間的臍帶線，從而減少了內(nèi)體所受的干擾力源，使得更加精細(xì)的控制成為可能。

（3）這個實(shí)驗(yàn)柜會做什么實(shí)驗(yàn)？

目前，該實(shí)驗(yàn)柜計(jì)劃開展基于冷原子干涉儀的等效原理檢驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)等微重力實(shí)驗(yàn)。

等效原理是廣義相對論的基本假設(shè)。廣義相對論是一種高度成功的引力理論，廣泛地用于天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。然而廣義相對論和量子力學(xué)并不兼容。因此人們提出了一些其他的引力理論試圖對其進(jìn)行統(tǒng)一。一般預(yù)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(yàn)將是甄別眾多引力理論、尋找新物理的重要途徑。

（1）什么是“無容器”？

通常熔煉物質(zhì)都需要使用容器承載熔體，往往會引入雜質(zhì)，在熔體凝固過程中，會受器壁影響，生長出復(fù)雜的微觀組織形態(tài)?！盁o容器”顧名思義，就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過程。

“無容器”避免了坩堝等器壁對材料表面的接觸和污染，能夠抑制異質(zhì)形核，獲得深過冷。空間的“無容器”還能消除地面重力引起的熔體形變和熔體密度分層，利于亞穩(wěn)態(tài)材料和新型功能材料的開發(fā)制備，利于熔體材料參數(shù)測量。

所以，微重力環(huán)境下金屬和非金屬無容器深過冷凝固過程與機(jī)理研究、具有重大應(yīng)用背景的新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要用到“無容器”。

（2）“無容器”如何實(shí)現(xiàn)？空間實(shí)現(xiàn)“無容器”有哪些難點(diǎn)？

無容器，最關(guān)鍵是要讓物質(zhì)克服重力，脫離與周圍物質(zhì)的接觸。在地面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(shí)現(xiàn)“無容器”主要通過靜電懸浮的手段。而在空間實(shí)現(xiàn)“無容器”的難點(diǎn)主要是：浮得住、控得穩(wěn)，就是要能將樣品穩(wěn)定、精確地懸浮在實(shí)驗(yàn)位置，以此獲得穩(wěn)定的樣品狀態(tài)。此外，不同的空間無容器懸浮技術(shù)也有各自的難點(diǎn)。

對于靜電懸浮的“無容器”，除了“浮得住、控得穩(wěn)”的難點(diǎn)外，還有“將樣品預(yù)先極化，也即給樣品帶上電荷”的難點(diǎn)，因?yàn)橹挥袑悠穾线m合的電荷、樣品才能受到靜電場庫侖力作用。

（3）“無容器”實(shí)驗(yàn)柜如何工作？

目前安排了9項(xiàng)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

無容器實(shí)驗(yàn)柜通過兩種激光器的加熱組合，可以加熱熔化不同的樣品，高熔點(diǎn)樣品溫度可以達(dá)到3000℃以上。

這么高的溫度，又沒有重力的干擾，簡直堪比“太上老君的煉丹爐”了。

無容器實(shí)驗(yàn)柜樣品球采用批量樣品盒，一個樣品盒能容納多個樣品。每個樣品完成無容器懸浮狀態(tài)的加熱熔化、參數(shù)測量、過冷凝固等實(shí)驗(yàn)過程后，通過位置控制將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，然后通過前后推桿將樣品夾持住，最后推送到樣品盒內(nèi)的樣品存儲位置。

航天員對無容器材料實(shí)驗(yàn)柜的在軌操作主要是進(jìn)行樣品盒更換。實(shí)驗(yàn)過程中不需要航天員進(jìn)行直接操作，主要通過注入指令執(zhí)行，地面工作人員可以實(shí)時監(jiān)控實(shí)驗(yàn)開展。

說完了要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，我們要關(guān)心一下更基礎(chǔ)的問題。

實(shí)驗(yàn)柜由兩部分構(gòu)成：實(shí)驗(yàn)柜支撐系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，實(shí)驗(yàn)柜支撐系統(tǒng)是基于空間站平臺提供的資源，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)安裝接口，熱控液冷、風(fēng)冷接口，供配電與信息采集接口，并對整柜運(yùn)營進(jìn)行管理和過程控制；科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在支撐系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)柜的科學(xué)功能和性能。

如果把空間站比作一棟房子，那么空間站平臺就是提供了毛坯房；實(shí)驗(yàn)柜支撐系統(tǒng)把毛坯房變?yōu)榫b修；科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相當(dāng)于房間內(nèi)的專用設(shè)備，最后可以成為面包房、洗衣房、理發(fā)店等。

而實(shí)驗(yàn)柜支撐系統(tǒng)中最關(guān)鍵的就是熱控抽屜和流體回路。

由于每個實(shí)驗(yàn)柜都要配備熱控抽屜，它可以說是空間站空間應(yīng)用系統(tǒng)配套數(shù)量最多的單機(jī)產(chǎn)品。它需要滿足空間站所有實(shí)驗(yàn)柜不同科學(xué)載荷不同科學(xué)實(shí)驗(yàn)及不同工作模式下的散熱及狀態(tài)監(jiān)測需求，還應(yīng)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(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全穩(wěn)定開展。

熱控抽屜的“散熱”任務(wù)要依靠流體回路來完成。流體回路系統(tǒng)提供冷卻工質(zhì)，收集所有實(shí)驗(yàn)柜的產(chǎn)熱，統(tǒng)一交給空間站平臺處理。原理看似簡單，但是流體回路的設(shè)計(jì)約束非常多，重量、尺寸及安裝布局等方面資源極其有限，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及研制也突破了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

當(dāng)我們期待實(shí)驗(yàn)柜給我們帶來科學(xué)驚喜時，也不要忘記了還有這些“幕后英雄”。

作為國家級太空實(shí)驗(yàn)室，中國空間站將在軌運(yùn)營10年以上，為近千項(xiàng)空間科學(xué)、應(yīng)用、技術(shù)項(xiàng)目提供高水平科學(xué)研究平臺。如此繁多的科研任務(wù)，如何在太空順利完成？這離不開地面上的“太空實(shí)驗(yàn)大管家”——有效載荷運(yùn)行管理團(tuán)隊(duì)。

他們通過地面上的有效載荷控制系統(tǒng)來“遙控”空間站，看下面的運(yùn)控大廳是不是很有科幻感？

與天宮一號、天宮二號等前期任務(wù)相比，空間站應(yīng)用任務(wù)具有長期運(yùn)營、任務(wù)領(lǐng)域廣泛、實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、探索性強(qiáng)、多周期交迭、需求變化快等特點(diǎn)，針對空間站研發(fā)的系統(tǒng)能夠滿足多項(xiàng)要求，比如：高可靠性（7×24小時高可靠長時間的穩(wěn)定運(yùn)行多年）、高實(shí)時性（天地互聯(lián)，外太空4Gbps帶寬，毫秒級延時的實(shí)時處理）、在線分析、快速決策等。

“管家”們負(fù)責(zé)空間應(yīng)用任務(wù)各領(lǐng)域在軌任務(wù)的統(tǒng)一指揮、調(diào)度與決策，任務(wù)規(guī)劃、資源分配、載荷控制，數(shù)據(jù)接收、處理與分析、狀態(tài)監(jiān)視、健康管理以及數(shù)據(jù)共享分發(fā)、空間環(huán)境保障服務(wù)等，要確保在軌各項(xiàng)實(shí)（試）驗(yàn)有序、安全、高效開展，架起地面科學(xué)家、載荷工程師與空間實(shí)（試）驗(yàn)的橋梁：地面上的科學(xué)家能夠快速收到空間站里的科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也能控制空間站里的實(shí)驗(yàn)，空間站上的載荷專家也能跟地面順暢溝通。

幾年來，在實(shí)驗(yàn)柜系統(tǒng)和載荷控制系統(tǒng)的研制過程中，科學(xué)家多次面臨從零開始、沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒的情況，也面臨“要用幾年時間走完國外幾十年探索之路”的局面，但是，這些“不可能的任務(wù)”終于被他們一步步變成了“可能”。

核心艙發(fā)射成功后，我國的空間科學(xué)與應(yīng)用將跨出奠基性和關(guān)鍵性的一步。在未來的空間站上，我們可能一年就能制備和合成上百種材料，完成大量實(shí)驗(yàn)，超過我國過去近三十年的總和。另外，中國空間站合作機(jī)會對聯(lián)合國所有會員國開放,尤其是發(fā)展中國家。來自17個國家的9個項(xiàng)目成為中國空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)首批國際合作項(xiàng)目。

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

這就是中國人的星辰大海！

2019年長五復(fù)飛后的測控大廳（圖片來源：微博@我們的太空 ）