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)射問天實驗艙和夢天實驗艙,，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)研究和實驗。

我們的空間站就是國家級太空實驗室,！我們的太空實驗室里有什么,？又怎么在太空做實驗？ 

我們?yōu)槭裁葱枰諏嶒炇遥?strong>原因大致有下面四點：

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(zhì)的特殊規(guī)律,。

第二,，航天員可以在軌進(jìn)行實驗操作、更換實驗設(shè)施和實驗設(shè)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：太空實驗室能夠提供地面上不存在的實驗環(huán)境,，在太空環(huán)境中利用微重力條件進(jìn)行各項科學(xué)研究,，將為我國各領(lǐng)域科研與應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)。 

你能想象太空中實驗室的樣子嗎,？

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)實驗柜（以下簡稱“實驗柜”）,。

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

中國空間站的三個艙段艙內(nèi)共布置了13個實驗柜,，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（試）驗研究。

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

（1）什么是高微重力,？

在軌道上運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,。目前核心艙實驗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)實現(xiàn)的,？

實現(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驗臺由外體和內(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,，懸浮實驗系統(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現(xiàn)內(nèi)體的高微重力水平。國際空間站開展過多項艙內(nèi)飛行器的實驗,，但這些實驗中飛行器都是獨立的個體,，沒有采用多層的設(shè)計。通過多層懸浮的設(shè)計實現(xiàn)內(nèi)部的高微重力水平,，能夠為高精度的科學(xué)實驗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）這個實驗柜會做什么實驗,？

目前,，該實驗柜計劃開展基于冷原子干涉儀的等效原理檢驗技術(shù)試驗等微重力實驗。

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)實驗需要用到“無容器”,。

（2）“無容器”如何實現(xiàn),？空間實現(xiàn)“無容器”有哪些難點,？

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,。

在太空中實現(xiàn)“無容器”主要通過靜電懸浮的手段。而在空間實現(xiàn)“無容器”的難點主要是：浮得住,、控得穩(wěn),，就是要能將樣品穩(wěn)定,、精確地懸浮在實驗位置，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。

對于靜電懸浮的“無容器”,，除了“浮得住,、控得穩(wěn)”的難點外，還有“將樣品預(yù)先極化,，也即給樣品帶上電荷”的難點,，因為只有將樣品帶上適合的電荷、樣品才能受到靜電場庫侖力作用,。

（3）“無容器”實驗柜如何工作,？

目前安排了9項空間材料科學(xué)實驗。

無容器實驗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。

無容器實驗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,、過冷凝固等實驗過程后,，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驗柜的在軌操作主要是進(jìn)行樣品盒更換。實驗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時監(jiān)控實驗開展。

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

實驗柜由兩部分構(gòu)成：實驗柜支撐系統(tǒng)和科學(xué)實驗系統(tǒng),。其中，實驗柜支撐系統(tǒng)是基于空間站平臺提供的資源，為科學(xué)實驗系統(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,，并對整柜運營進(jìn)行管理和過程控制,；科學(xué)實驗系統(tǒng)是在支撐系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)本實驗柜的科學(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；實驗柜支撐系統(tǒng)把毛坯房變?yōu)榫b修,；科學(xué)實驗系統(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,。

而實驗柜支撐系統(tǒng)中最關(guān)鍵的就是熱控抽屜和流體回路。

由于每個實驗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驗柜不同科學(xué)載荷不同科學(xué)實驗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，時刻保障實驗柜科學(xué)實驗的安全穩(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)，收集所有實驗柜的產(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)計及研制也突破了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn),。

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

作為國家級太空實驗室，中國空間站將在軌運營10年以上,，為近千項空間科學(xué)、應(yīng)用、技術(shù)項目提供高水平科學(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“太空實驗大管家”——有效載荷運行管理團(tuán)隊,。

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)具有長期運營、任務(wù)領(lǐng)域廣泛,、實驗復(fù)雜,、探索性強(qiáng)、多周期交迭,、需求變化快等特點,，針對空間站研發(fā)的系統(tǒng)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(wěn)定運行多年）,、高實時性（天地互聯(lián),，外太空4Gbps帶寬，毫秒級延時的實時處理）,、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,，要確保在軌各項實（試）驗有序,、安全、高效開展,，架起地面科學(xué)家,、載荷工程師與空間實（試）驗的橋梁：地面上的科學(xué)家能夠快速收到空間站里的科學(xué)實驗結(jié)果，也能控制空間站里的實驗,，空間站上的載荷專家也能跟地面順暢溝通,。

幾年來,，在實驗柜系統(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，完成大量實驗,，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個項目成為中國空間站科學(xué)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 ）