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從此以后,，
我們下了一個“死命令”： 走之前不允許和實驗柜再見， 不允許合影,， 就讓它默默地走吧,！ 張璐 · 中國科學院空間應用工程與技術中心研究員 大家好，我是張璐,，來自于中國科學院空間應用工程與技術中心,。非常感謝格致論道講壇的邀請，今天我分享的題目是《空間科學實驗柜“煉”成記》,。大家都知道，2021年是咱們空間站的建設元年,。2021年4月29日,，天宮空間站天和核心艙發(fā)射升空，今年（2022年）下半年,，我們的問天實驗艙和夢天實驗艙也會陸續(xù)升空,。屆時，它們將形成三艙組合體的形態(tài),。為了建成咱們國家的太空實驗室,，我和我們團隊研制了用于太空實驗的科學實驗柜。大家可能會問：為什么我們要去太空做科學實驗,？地面上有很好的設備,、很好的條件，為什么一定要上太空呢,？其實,，天地之間的實驗會有很大的不同，我們來看兩個例子,。左邊這張圖是我們在地面上用中國的燃燒科學實驗柜進行的一項點火實驗,，右邊展現(xiàn)的是國際空間站在太空進行的點火實驗。從這兩幅圖中可以看到,，火焰的形貌和燃燒的特點都大不相同,。這兩幅圖是我們在天宮二號進行的高等植物生長實驗,。這兩個設備采用的是天地比對的方式：它們所有的實驗條件是一樣的，包括光照,、濕度,、溫度以及使用種子的批次等。但是天地之間的差異非常明顯,。大家可以仔細地看一下,，天宮二號的水稻葉片上有非常明顯的吐珠現(xiàn)象；更有意思的是,，不管是水稻還是擬南芥,，它們在太空中的壽命都比地面上的長很多。通過前面的兩個例子,，我們來回顧一下為什么要上太空去做實驗,。首先，空間站能夠提供長期的微重力水平,，這里我們重點強調(diào)長期,。雖然在地面上，我們可以利用落塔或者拋物線飛機形成短時的微重力,；但只有在空間站或者是空間科學衛(wèi)星這樣的條件下,，才能獲得非常長期的微重力環(huán)境，來以此進行一些生命科學還有其他需要長時間微重力環(huán)境的研究,。同時,，空間站內(nèi)的亞磁、輻射等綜合環(huán)境會讓我們看到一些新的生物學,、物理學現(xiàn)象,。通過對這些現(xiàn)象的研究，我們有望了解一些基本的物質規(guī)律,，然后據(jù)此進一步地改善人類地面的生產(chǎn)或者是生活活動,。相比于其他形式的空間探索，空間站最重要的一點是有人參與,。在有人參與的情況下,，航天員可以非常方便地進行實驗操作和操控，我們上下行的實驗樣品和生活物資也能很方便地交接運行,。那么,，我們要如何在太空中做實驗呢？我們已經(jīng)有了科學衛(wèi)星,、神舟飛船,，然后還有天宮一號、天宮二號這樣的太空實驗室,。那時,，我們做的更多是一些單個項目的、單一載荷的科學實驗,。但是到了“空間站時代”,，每一個科學實驗柜都相當于一個綜合性領域的實驗室。在這個實驗柜里面,，我們可以從事單一學科領域的科學研究,，還能面向多學科交叉的領域,。每一個實驗柜不僅僅是做那么一兩項科學實驗，它可能會承擔幾十項,、幾百項的科學實驗,，這樣也就極大地拓展了我們太空實驗的機會。已完成：20% //////////
這兩幅圖是一個很好的對比,，俗話說“沒有對比就沒有傷害”。左邊這個是國際空間站,，大家可能會感覺里面非常零亂：前面有很多盤根錯節(jié)的線纜,、管路，甚至還有一些光纖,。此外,，每個實驗柜的形狀其實是不一樣的，我們把它們稱之為“異姓兄弟”,。在前期它們只做了一個簡單的約束,，缺少統(tǒng)籌或者說集體的規(guī)劃。右邊是咱們中國的空間站,，它看起來就非常整潔,。每次航天員去之前或者回來之后，都會打掃得干干凈凈,。為什么兩個實驗柜系統(tǒng)會有這么大的對比,？因為在做初期系統(tǒng)設計的時候，我們就針對每個科學實驗系統(tǒng)的共性技術,，比如整個結構的安裝,，一些電子學需求、熱控需求等,，提煉出了一套基礎支撐系統(tǒng),。有了這些共性的技術以后，每個實驗柜的基礎支撐部分基本相同,，所以它們看起來就像“親兄弟”,。剩余的用于科學探測的部分，就由我們的科學家團隊去研制了,。
基礎支撐部分里的第一部分也是非常重要的一部分,，就是實驗柜的主結構，我們將其稱為“實驗柜的房子”——所有的科學設施都要裝在這個房子里面,。上面這張圖看起來就像一個很普通的柜子或者說架子,，但是科學家給我們提出的一個難題：要求它既輕便又牢固。大家知道,，輕便和牢固這兩個概念本身就是矛盾的：如果輕,，那很容易就做得不牢固,。科學家為什么要求“輕”呢,？他們希望我們的柜體可以盡可能多地裝一些科學設備的載荷,，能進行更多的科學研究,。為了滿足科學家們“又輕又牢固”的需求,，在實驗柜建造初期，我們首先要進行材料的選型,。針對不同位置的需求,，我們要選擇一些既輕型，然后整個結構的剛度,、強度又比較好的材料,。在每一個材料的連接關系上，我們都要進行相應的分析,，保證它能夠滿足火箭或者平臺力學的一些邊界條件,。基于這些邊界條件，我們得進行幾百次甚至上千次的仿真和力學實驗的驗證,。上圖就是我們仿真和驗證的過程,。大概在2016年年底，整個基礎柜的構型基本上達到了科學家的需求,，我們能夠滿足13個不同的科學實驗系統(tǒng)的結構安裝,、供電接口、散熱接口的設計等,。我們以為結構設計已經(jīng)完成了,，但非常不幸的是，2017年我們的長征五號遙二火箭發(fā)射失利了,，而長五系列火箭正是我們用于發(fā)射空間站的火箭,。基于這個原因，我們在基礎柜已經(jīng)定型的情況下,，又進行了新一輪的減重設計：再一次仿真,，再一次實驗。大家可以看到,，我們整個柜體上做了很多鏤空的設計,，這就是減重部分；然后我們又在很多局部的地方進行了加固處理,，這樣就能保證又輕又牢固,。基于以上設計,，我們才能成功地把科學實驗系統(tǒng)帶上天,，同時滿足實驗發(fā)射的一些需求,。除此之外，我們還利用了整個實驗柜背部的一些狹小空間,，把常規(guī)的電子學的電纜網(wǎng),，氣體、液體的管路集合起來,。這相當于在家里裝修一樣,，我們走暗線，設置了很多通用的接口,，也保障了整個系統(tǒng)在前面看起來非常整潔,。▲ 實驗柜控制器“中控室”：小型化、高可靠的動態(tài)功率分配與管理 我們的“家”有了,，接著就要考慮中控和中央空調(diào)的問題,。實驗柜控制器也是基礎支撐部分里面非常重要的一塊。它就相當于一個中控室,，負責我們整個實驗柜內(nèi)部的供配電,、通訊、遙測以及所有的資源調(diào)度,。大家知道,，不同科學家的不同科學載荷，他們用電的時間不一樣,，每次持續(xù)的功率,、持續(xù)的時間也不相同。但是天上的用電和地面上有很大差異,。在地面上,，你用再多的電都可以。但是在軌的時候,，我們一個柜子最多只能提供1500瓦的功耗,，而且還要進行動態(tài)的分配。如何能夠滿足科學家們不同科學實驗的需求呢,？我們開發(fā)了這種小型化,、高可靠的動態(tài)功率分配與管理技術。利用這種技術,，就可以動態(tài)地通過數(shù)字化技術自主調(diào)節(jié)：當任何一個載荷需要用電的時候,，我們能夠通過內(nèi)部自閉環(huán)的方式提供合適的功耗和功率，滿足它的用電需求,。▲ 4Gbps光纖入戶,，室內(nèi)千兆以太網(wǎng) 目前，我們的科學研究都已經(jīng)進入了大數(shù)據(jù)挖掘的信息化時代。相比之前的一些科學載荷,，我們希望科學數(shù)據(jù)也好,、圖像也罷，它們的數(shù)據(jù)量更廣一些,、分辨率更大一些,、頻率更高一些。為了滿足不同科學實驗對大數(shù)據(jù)的需求,，我們采用了4G光纖入網(wǎng)的方式,。我們首次在軌采用了FC-AE-1553系統(tǒng)，將4G帶寬的光纖拉到了每一個實驗柜,，保證它內(nèi)部的數(shù)據(jù)能夠非常高速地傳輸,。與此同時，我們在內(nèi)部布置了一個千兆的以太網(wǎng),，可以讓內(nèi)部的圖像信息很好地到達存儲設備，保證了設備存儲量大,、分辨率高,。基于這樣的技術，與國際空間站100兆的寬帶相比,，我們整整將速率提升了10倍以上,。▲ 熱控抽屜——中央空調(diào) 而熱控抽屜就像中央空調(diào)一樣，不同的科學載荷會有不同的散熱需求,。如果你不給1500瓦的設備提供合適的散熱方式,，它在高溫下就非常容易出故障?；谶@個原因,，我們采用了“氣液雙模”的方式——有的科學家希望設備用液體散熱,，有的科學家希望它能用風冷散熱,，于是我們開發(fā)出了這種氣、液多場自適應快速重構的模塊化熱控,。如圖所示,，這么小的模塊里面集合了25種不同的閥組和氣液傳感器，保證我們能夠實時地,、動態(tài)地根據(jù)不同的科學需求調(diào)節(jié)散熱方式,，包括風的速度，液體的回路流量等,。有了這些基礎支撐系統(tǒng),，實驗柜的通用部分基本上就完成了。已完成：40% //////////
所有的基礎支撐系統(tǒng)構成之后，我們還要完成一項工作,。就像入住新房子之前要除甲醛一樣,，大家知道，空間站是一個密閉空間,，而且有3到6名航天員要進去生活,，所以對有害氣體控制和檢測的要求極其嚴格。▲ 有害氣體控制與檢測 在整個材料的選型過程中,，我們盡可能地選用一些足夠環(huán)保的材料,，也對材料進行了氣體釋放成分的研究。但為了更好地保障航天員的在軌安全性,，我們還要采取一些手段,。像大禹治水有疏、有堵,，有害氣體的控制也是如此,。疏是什么意思？即借助高溫低壓的環(huán)境,，把一些金屬或者非金屬材料里的有毒氣體抽走,，讓它排掉；還有一些比較難排走的,，我們會采用一些特殊的無毒無害的涂層或者膠帶,，把它封到里面去。通過這種疏和堵的方式,，保證絕對不會有多的有毒氣體釋放到艙內(nèi),。同時，所有的載荷,，包括柜體和科學設備,，它們在上天之前還會進行一次非常精密的有害氣體濃度檢測，濃度要求幾乎是地面實驗室能夠檢測到的最小范圍,。只有按照這種嚴格的要求,，我們才能保證在軌航天員的絕對安全。除了有害氣體甲醛之后,，我們還要做“多余物的控制”,。大家知道，太空是一個微重力的環(huán)境,，一旦有多余物的存在,，它很容易飄起來，可能會飄到空間站的任何一個位置,，對設備產(chǎn)生影響,。特別是一些金屬類的多余物，如果飄到了電氣設備上，還會導致短路等安全性事故,。▲ 多余物控制 因此,，對于常規(guī)的固態(tài)多余物，我們一般采用圖中看到的方式：“聽聲辨物”,。在力學試驗前后,，在最后出廠之前，我們加入了一些強制的檢驗點,。借助這種旋轉的方式,，通過人耳去聽有沒有異響。因為一旦有多余物,，它在旋轉的過程中就會和旁邊的器壁,、柜體產(chǎn)生摩擦，發(fā)生撞擊,。通過這種“聽聲辨物”的方式,，我們就能一步一步地進行多余物檢測。在液體回路這一塊,，對多余物的控制更為嚴格,。我們還會進行光譜分析、沖洗分析,，保障回路里面也不會有多余物，不會導致散熱系統(tǒng)發(fā)生相應的卡滯,。等做完一切的工作,，包括后續(xù)力學的、熱的,、可靠性的壽命實驗以后,，我們的科學實驗系統(tǒng)就可以“入住”科學實驗柜了。我們整個實驗柜都有一套標準,，首先它的對外接口完全統(tǒng)一,，所有13個實驗柜的接口完全一致。第二它的內(nèi)部載荷是有規(guī)范的,。一方面方便國內(nèi)不同的科學團隊,、不同的科學家根據(jù)規(guī)范來設計不同的科學儀器設備，同時這個接口規(guī)范是對國際開放的,。如果有國際上的科學家想?yún)⑴c咱們中國空間站的實驗,，也可以按照我們的規(guī)范去研制相應的載荷。第三,，因為所有的實驗柜具備標準的接口設計,，所以維修、更換起來非常方便。在軌出現(xiàn)故障之后,，可以隨時地抽拉出來,，進行相應的維修。最后,，它還能兼容相應的國際標準,。完成一系列的工作之后，這些科學設備就會入駐到整個實驗柜內(nèi),。左邊這張圖呈現(xiàn)的是典型的地面上的學科領域實驗室,。一般來講，這個實驗室可能是20多平米的一個大屋子,，里面擺得滿滿的,。科學家們的目的是要將這幾十平米的實驗室搬到不到2立方米的柜體空間（右圖）。他們要進行結構化,、小型化的設計,，同時還要保障我們的指標國內(nèi)領先、世界一流,。所以我覺得,，這中間的辛酸和難度比實驗柜的基礎支撐部分更大。那這些故事,、這些研究就讓我們留待科學家自己給大家講解,。這里我也放了一張整個科學實驗柜的“全家福”,。大家從它們的外部構型上看,，就知道是一家的，對吧,？它們是親兄弟,，是集團軍。已完成：60% //////////
既然太空實驗這么有意義,、這么重要,，那這些實驗柜能在太空里開展哪些科學實驗呢？我們從學科的角度進行了劃分,。第一塊是生命科學領域的實驗柜,，然后是與流體燃燒、空間材料科學,、基礎物理相關的一些實驗柜,。同時還有最后一大塊——公共支持類的實驗柜。這只是將實驗柜做了大類的劃分,，它們真正能夠支持的科學實驗遠遠不止我們現(xiàn)在看到的這些,。在上面這張圖里,，我們也通過顏色做了一些劃分。紅色部分是目前已經(jīng)在軌飛行的科學實驗柜,，即核心艙的2個實驗柜,；綠色部分是問天實驗艙里的4個科學實驗柜；藍色部分就是我們夢天實驗艙將要上天的一些科學實驗柜,。下面我會對各艙我認為比較有特點的一些實驗柜,，簡單地為大家介紹一下它們分別能開展哪些科學實驗。▲ 無容器材料實驗柜 第一個是無容器材料科學實驗柜,，它已經(jīng)在軌運行一年多了,。
大家可以看一下這段動畫。這里有一個小球懸浮在整個腔體的中間,，像不像咱們以前看《西游記》里面太上老君的煉丹爐,？它利用微重力以及靜電懸浮的方式，讓材料在內(nèi)部熔融,、再凝固,，可以對材料進行3000度的加溫。在熔融和凝固的過程中,，我們可以對它進行一些物理特性的測量,。一方面我們可以抵消地面的重力，同時還能觀察到更多的物理特性,。通過這方面的研究,，首先我們有望生產(chǎn)一些新材料：比如渦輪發(fā)動機上的耐高溫的葉片材料。同時我們還能進一步研究基礎物性,，來改善地面的生產(chǎn)和材料工藝,。整個實驗柜還具備觸發(fā)形核的科學探測能力，綜合性能優(yōu)于日本在國際空間站上的靜電懸浮爐（ELF）,。我剛剛提到，問天實驗艙主要配備了進行生命科學的實驗柜,。這兩個實驗柜可以檢測空間環(huán)境對生命的影響,，支持太空中動植物健康生長發(fā)育的研究，還能助力一些蛋白新藥物的開發(fā),。這里面就有大家比較關心的實驗,，比如我們后續(xù)會在太空里養(yǎng)魚、養(yǎng)螺,、養(yǎng)藻,，然后還會進行一些小鼠、獼猴在太空中的生長甚至是繁衍的研究,。通過這些實驗,，我們一方面能夠了解生物體對微重力環(huán)境,、太空環(huán)境的適應性，同時還可以規(guī)劃密閉生態(tài)等研究：在這種密閉系統(tǒng)里面,，我們能夠研究碳,、氧、氫的循環(huán),，試圖為人類遠景太空旅行中物質的自給自足提供相應的研究基礎,。
▲ 高精度時頻系統(tǒng)：最貴實驗柜 上面這是夢天實驗艙最重磅的，也是整個空間站最貴的科學實驗柜,，它叫做高精度時頻系統(tǒng),。我們在天宮二號微波鐘的基礎上，又增加了一個氫鐘和一個光鐘,。通過這三個鐘組的比對,，可以長期實現(xiàn)3×10^-17穩(wěn)定度的天基時頻系統(tǒng)。可能有人會說：地面上已經(jīng)到了10^-18的穩(wěn)定度,，我們實現(xiàn)10^-17的意義在哪兒,？其實它的意義非常重大,，如果我們成功了,，意味著這將是全世界首個在天基環(huán)境下自主可控的時頻系統(tǒng)。比如北斗系統(tǒng)上用的是氫鐘,，它的頻率穩(wěn)定度可能到10^-13,。當我們能在天基中實現(xiàn)10^-17之后,，不管是天基的授時精度，還是我們的導航精度都會得到極大提升,。同時它還能支持很多基礎科學的研究,。▲ 在線維修裝調(diào)操作柜 最后介紹的這個實驗柜是我自己負責研制的，它叫在線維修裝調(diào)操作柜,。在這個實驗柜里面,，科學家會進行一些維修操作：當其他實驗柜發(fā)生故障的時候，我們就能到這個實驗柜里進行相應的研究,。大家知道,，在微重力的環(huán)境下，航天員的運動其實是非常復雜,、艱難的,。為了讓航天員在軌時更加舒適，我們在這個實驗柜中開發(fā)了一種智能誘導維修系統(tǒng),。我們采用增強現(xiàn)實技術（AR）,，把需要維修或者操作的場景通過虛實疊加的方式投射在航天員的眼鏡上，借助語音,、動畫及文字的引導,，讓他可以很清楚地知道第一步要做什么,、用什么工具、怎么做,。基于這種技術,，我們能讓航天員非常輕松地操作一些不熟悉或者之前沒有操作過的工作。后續(xù)我們還會開發(fā)天-地專家系統(tǒng),，通過實時的天地網(wǎng)絡,，讓航天員看著地面專家的指導來進行相應的研究。已完成：80% //////////
實驗柜的研制難度極大,，然后時間周期又非常緊,。有時候大家會問：你們做實驗柜的過程中，最難忘的是什么,？我覺得最難忘的,，可能就是2020年國慶前的那一次8.75天的奮斗。當時所有核心艙的實驗柜在天津廠房完成了相應的研制,，它們要返回我們的大廳進行最后的狀態(tài)設置和測試,。工程和科學最大的區(qū)別是前者有非常強的時效性。我們只有8.75天的時間,，要完成上百道工序的研究和測試,。所以大家基本是按0.5個小時去排節(jié)點的，所有人員提前4個小時到位,。我們開始認為這是不可能完成的,，但在大家的共同努力下，最終完成了相應的研制,。有一件事讓我印象非常深刻,。當我們把柜體從集成大廳拉到電測大廳中間，在短短的3分鐘內(nèi),，已經(jīng)有好幾個員工在地上睡著了,。大家拼的這股勁，就是為了保證把實驗柜送上天,，讓我們在太空里更好地開展科學實驗,。大家硬是完成了這個不可能完成的任務。這張照片就是當時大家熬了好幾個晚上之后拍的,。因為我們?yōu)橹畩^斗了十年的柜子要走了，大家都依依不舍地拍照留念,。但后來也成了我們的“禁忌”,。因為我們發(fā)現(xiàn)，基本上所有合過影的柜子在送出去之后,，都會由于各種各樣的問題返回來（笑）,。所以從此以后,，我們下了一個“死命令”：走之前不允許和實驗柜再見，不允許合影,，我們就讓它默默地走吧,！后來所有實驗柜走的時候，我們只會遠遠地拍一下車送它們走的照片,。我們跟它們說的是“永別”——希望下次“見到”的時候,，我們在地面上，而這些柜子在天上,，不要再回來折騰大家一次,。已完成：90% //////////
實驗柜送走了之后，我們研制團隊還能做什么工作呢,？其實,，上去的科學實驗柜它只是一個研究的平臺，給我們留下來的工作更多,。我們要進行上千項包括空間科學,、空間應用還有空間技術在內(nèi)的研究。我們正準備和中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所的團隊進行太空合成生物學的研究,，希望利用工程技術和科學技術,，在太空里合成一杯糖水。在足夠安全的情況下,，看看能不能讓小動物甚至是航天員嘗一嘗它的味道,。這也是為了解決未來深空探測領域面臨的食物問題。空間站讓我們離開了地球,，能夠開展更多的空間探索,。但我覺得，咱們?nèi)祟惖哪_步不會永遠停留在地球的附近,，我們還會去到月球,、火星以及更多的地外星體。所以我們也規(guī)劃了月球科研站,。利用前面所說的密閉生態(tài)的技術,，我們可能會做一個艙，研究如何用一個艙滿足人類在地外星體上一些生存物質的循環(huán)保障,，讓航天員有更好的食物等,。同時，我們還可能會利用維修柜的一些技術,，在軌進行太空工廠的研究和研制,，然后到月面或者火面的開展原位的資源利用。我相信在大家共同的努力下,，人類一定會去到更多的地外星體,，滿足人類對未知世界的探索,、對未知世界的渴望。我希望有越來越多的人加入到我們這個團隊,，跟大家一起見證人類的理想,，以及奔向星辰大海的征途。
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