这次，天和带了“套娃”和“太上老君的炼丹炉”上天
2021/4/30 7:15:00 科学大院
4月29日，中国空间站天和核心舱在海南文昌发射场成功发射，我国载人航天工程开启新的征程。
(图片来源：央视新闻)
首先，让我们看一场“发布会”：太空黑科技!中国空间站“新舱”超燃发布
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天和核心舱成功发射之后，我国将陆续发射问天实验舱和梦天实验舱，三个舱组合成一个T字形构型，将在未来十几年内支持大量科学研究和实验。
我们的空间站就是国家级太空实验室!我们的太空实验室里有什么？又怎么在太空做实验？
一、 太空实验室里有什么？
我们为什么需要太空实验室？原因大致有下面四点：
第一， 能够提供长期的微重力实验条件。利用微重力条件能揭示重力掩盖下的物质的特殊规律。
第二，航天员可以在轨进行实验操作、更换实验设施和实验设备，长期开展实验。
第三，在一定的轨道高度上，方便开展天文观测和地球观测。
第四，通过天地往返把实验样品带回来，可以在地面上对样品进行长期研究，取得新的发现。
简单来说就是：太空实验室能够提供地面上不存在的实验环境，在太空环境中利用微重力条件进行各项科学研究，将为我国各领域科研与应用做出重大贡献。
你能想象太空中实验室的样子吗？
不是这样的：
(图片来源：veer图库)
也不是这样的：
(图片来源：veer图库)
而是这样的：
核心舱布局示意图
这里没有试管，没有仪器，也没有忙碌“搬砖”的科学家，有的是一个个——科学实验柜(以下简称“实验柜”)。
实验柜是空间站舱内实(试)验任务开展的主要支持设施。每个实验柜都相当于一个专业学科或研究领域的实验研究平台，满足不同学科不同领域空间科学实(试)验开展的需求。
中国空间站的三个舱段舱内共布置了13个实验柜，支持空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理等广泛领域的空间科学实(试)验研究。
二、第一梯队上天，要做什么实验？
核心舱上已经搭载了两个实验柜，空间站的“第一梯队”都有谁？会进行哪些科学实验？
1. 高微重力实验柜
(1)什么是高微重力？
在轨道上运行的航天器处于微重力状态。空间站的微重力水平大约在10-3g~10-5g范围。如果微重力达到1×10-7g的水平，这就是高微重力的环境了。目前核心舱实验柜中的高微重力指标比空间站微重力的指标提升了至少2个数量级。
(2)如此高的微重力水平是通过什么技术实现的？
实现高微重力的方式，说来很“简单”(凡尔赛脸~)，就是“双层隔振”：高微重力柜中的悬浮实验台由外体和内体组成，科学载荷安装于内体上，外体隔离外部的各种扰动力。
外体和内体，就像套娃(图片来源：veer图库)
系统的核心工作模式有两种：
一种是柜内磁悬浮控制模式，在此模式下，外体固连在空间站高微重力柜内，内体通过主动隔振控制实现10-6g的微重力水平。这个模式也被称为单层主动隔振模式。
一种是柜外跟随控制模式。在此模式下，悬浮实验系统整体在空间站核心舱的空间内飞行，内体不受控制力，外体通过闭环控制回路对内体进行姿态、轨道的跟随。由于内体不受引力以外的力，因此能够实现10-7g的高微重力水平。
这是国际上首次在空间站舱内采用双层悬浮的模式实现内体的高微重力水平。国际空间站开展过多项舱内飞行器的实验，但这些实验中飞行器都是独立的个体，没有采用多层的设计。通过多层悬浮的设计实现内部的高微重力水平，能够为高精度的科学实验提供更好的微重力环境。采用无线传能技术，取消了内体与外体间的脐带线，从而减少了内体所受的干扰力源，使得更加精细的控制成为可能。
(3)这个实验柜会做什么实验？
目前，该实验柜计划开展基于冷原子干涉仪的等效原理检验技术试验等微重力实验。
等效原理是广义相对论的基本假设。广义相对论是一种高度成功的引力理论，广泛地用于天文学和宇宙学的研究。然而广义相对论和量子力学并不兼容。因此人们提出了一些其他的引力理论试图对其进行统一。一般预言弱等效原理在某种程度上需要修正。因此对弱等效原理的检验将是甄别众多引力理论、寻找新物理的重要途径。
2.无容器实验柜
(1)什么是“无容器”？
通常熔炼物质都需要使用容器承载熔体，往往会引入杂质，在熔体凝固过程中，会受器壁影响，生长出复杂的微观组织形态。“无容器”顾名思义，就是不用容器承载，使物体在悬空的状态下实现熔炼的过程。
“无容器”避免了坩埚等器壁对材料表面的接触和污染，能够抑制异质形核，获得深过冷。空间的“无容器”还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层，利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备，利于熔体材料参数测量。
所以，微重力环境下金属和非金属无容器深过冷凝固过程与机理研究、具有重大应用背景的新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究等科学实验需要用到“无容器”。
(2)“无容器”如何实现？空间实现“无容器”有哪些难点？
无容器，最关键是要让物质克服重力，脱离与周围物质的接触。在地面目前有四种常用手段：静电悬浮、气悬浮、声悬浮、磁悬浮。
在太空中实现“无容器”主要通过静电悬浮的手段。而在空间实现“无容器”的难点主要是：浮得住、控得稳，就是要能将样品稳定、精确地悬浮在实验位置，以此获得稳定的样品状态。此外，不同的空间无容器悬浮技术也有各自的难点。
对于静电悬浮的“无容器”，除了“浮得住、控得稳”的难点外，还有“将样品预先极化，也即给样品带上电荷”的难点，因为只有将样品带上适合的电荷、样品才能受到静电场库仑力作用。
(3)“无容器”实验柜如何工作？
目前安排了9项空间材料科学实验。
无容器实验柜通过两种激光器的加热组合，可以加热熔化不同的样品，高熔点样品温度可以达到3000℃以上。
这么高的温度，又没有重力的干扰，简直堪比“太上老君的炼丹炉”了。
无容器实验柜样品球采用批量样品盒，一个样品盒能容纳多个样品。每个样品完成无容器悬浮状态的加热熔化、参数测量、过冷凝固等实验过程后，通过位置控制将悬浮样品移动到样品回收入口处，然后通过前后推杆将样品夹持住，最后推送到样品盒内的样品存储位置。
航天员对无容器材料实验柜的在轨操作主要是进行样品盒更换。实验过程中不需要航天员进行直接操作，主要通过注入指令执行，地面工作人员可以实时监控实验开展。
三、谁在支持科学实验？
说完了要进行的实验，我们要关心一下更基础的问题。
实验柜由两部分构成：实验柜支撑系统和科学实验系统。其中，实验柜支撑系统是基于空间站平台提供的资源，为科学实验系统提供结构安装接口，热控液冷、风冷接口，供配电与信息采集接口，并对整柜运营进行管理和过程控制；科学实验系统是在支撑系统的支持下，实现本实验柜的科学功能和性能。
如果把空间站比作一栋房子，那么空间站平台就是提供了毛坯房；实验柜支撑系统把毛坯房变为精装修；科学实验系统相当于房间内的专用设备，最后可以成为面包房、洗衣房、理发店等。
而实验柜支撑系统中最关键的就是热控抽屉和流体回路。
由于每个实验柜都要配备热控抽屉，它可以说是空间站空间应用系统配套数量最多的单机产品。它需要满足空间站所有实验柜不同科学载荷不同科学实验及不同工作模式下的散热及状态监测需求，还应具备通用性、互换性及在轨可更换性，而且需要在轨长时间工作，时刻保障实验柜科学实验的安全稳定开展。
热控抽屉的“散热”任务要依靠流体回路来完成。流体回路系统提供冷却工质，收集所有实验柜的产热，统一交给空间站平台处理。原理看似简单，但是流体回路的设计约束非常多，重量、尺寸及安装布局等方面资源极其有限，产品的设计及研制也突破了巨大的技术挑战。
当我们期待实验柜给我们带来科学惊喜时，也不要忘记了还有这些“幕后英雄”。
四、 在地面“遥控”空间站是怎样的感觉？
作为国家级太空实验室，中国空间站将在轨运营10年以上，为近千项空间科学、应用、技术项目提供高水平科学研究平台。如此繁多的科研任务，如何在太空顺利完成？这离不开地面上的“太空实验大管家”——有效载荷运行管理团队。
他们通过地面上的有效载荷控制系统来“遥控”空间站，看下面的运控大厅是不是很有科幻感？
与天宫一号、天宫二号等前期任务相比，空间站应用任务具有长期运营、任务领域广泛、实验复杂、探索性强、多周期交迭、需求变化快等特点，针对空间站研发的系统能够满足多项要求，比如：高可靠性(7×24小时高可靠长时间的稳定运行多年)、高实时性(天地互联，外太空4Gbps带宽，毫秒级延时的实时处理)、在线分析、快速决策等。
“管家”们负责空间应用任务各领域在轨任务的统一指挥、调度与决策，任务规划、资源分配、载荷控制，数据接收、处理与分析、状态监视、健康管理以及数据共享分发、空间环境保障服务等，要确保在轨各项实(试)验有序、安全、高效开展，架起地面科学家、载荷工程师与空间实(试)验的桥梁：地面上的科学家能够快速收到空间站里的科学实验结果，也能控制空间站里的实验，空间站上的载荷专家也能跟地面顺畅沟通。
五、 我们已经在路上，未来如何？
几年来，在实验柜系统和载荷控制系统的研制过程中，科学家多次面临从零开始、没有现成经验可以借鉴的情况，也面临“要用几年时间走完国外几十年探索之路”的局面，但是，这些“不可能的任务”终于被他们一步步变成了“可能”。
核心舱发射成功后，我国的空间科学与应用将跨出奠基性和关键性的一步。在未来的空间站上，我们可能一年就能制备和合成上百种材料，完成大量实验，超过我国过去近三十年的总和。另外，中国空间站合作机会对联合国所有会员国开放,尤其是发展中国家。来自17个国家的9个项目成为中国空间站科学实验首批国际合作项目。
天和的成功不是终点，而是中国太空探索之路的新起点!一千多年前，苏轼在感叹“不知天上宫阙，今夕是何年？”对于今天的中国，天上宫阙不再仅仅是浪漫的幻想，未来的空间站将会成为“太空母港”，我们将以空间站为第一站，飞向茫茫太空。
这就是中国人的星辰大海!
2019年长五复飞后的测控大厅(图片来源：微博@我们的太空 )
编辑：张文韬
审核：中国科学院空间应用工程与技术中心
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