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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。在這個核心艙中，有兩個帶上天的柜子，它們有什么神秘之處？我們的空間站作為國家級太空實驗室，里面有什么？又怎么在太空做實驗？本期國科大《嘮科》欄目，帶大家一探究竟！
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。
中國科學院大學天文學專業(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?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。作為國科大學子，我們希望盡自己所能為邁向天文強國而奮斗。”他們說道。
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？
一、 太空實驗室里有什么？
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，可以在地面上對樣品進行長期研究，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行各項科學研究，將為我國各領域科研與應用做出重大貢獻。
你能想象太空中實驗室的樣子嗎？
不是這樣的：
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”的科學家，有的是一個個——科學實驗柜（以下簡稱“實驗柜”）。
實驗柜是空間站艙內(nèi)實（試）驗任務開展的主要支持設施。每個實驗柜都相當于一個專業(yè)學科或研究領域的實驗研究平臺，滿足不同學科不同領域空間科學實（試）驗開展的需求。
中國空間站的三個艙段艙內(nèi)共布置了13個實驗柜，支持空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、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，要做什么實驗？
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？會進行哪些科學實驗？
1. 高微重力實驗柜
（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比空間站微重力的指標提升了至少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，沒有采用多層的設計。通過多層懸浮的設計實現(xiàn)內(nèi)部的高微重力水平，能夠為高精度的科學實驗提供更好的微重力環(huán)境。采用無線傳能技術，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試驗等微重力實驗。
等效原理是廣義相對論的基本假設。廣義相對論是一種高度成功的引力理論，廣泛地用于天文學和宇宙學的研究。然而廣義相對論和量子力學并不兼容。因此人們提出了一些其他的引力理論試圖對其進行統(tǒng)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多引力理論、尋找新物理的重要途徑。
2.無容器實驗柜
（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，生長出復雜的微觀組織形態(tài)。“無容器”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?？臻g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理研究、具有重大應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(zhí)行，地面工作人員可以實時監(jiān)控實驗開展。
三、誰在支持科學實驗？
說完了要進行的實驗，我們要關心一下更基礎的問題。
實驗柜由兩部分構(gòu)成：實驗柜支撐系統(tǒng)和科學實驗系統(tǒng)。其中，實驗柜支撐系統(tǒng)是基于空間站平臺提供的資源，為科學實驗系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)安裝接口，熱控液冷、風冷接口，供配電與信息采集接口，并對整柜運營進行管理和過程控制；科學實驗系統(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；科學實驗系統(tǒng)相當于房間內(nèi)的專用設備，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用系統(tǒng)配套數(shù)量最多的單機產(chǎn)品。它需要滿足空間站所有實驗柜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(tài)監(jiān)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，時刻保障實驗柜科學實驗的安全穩(wěn)定開展。
熱控抽屜的“散熱”任務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)品的設計及研制也突破了巨大的技術挑戰(zhàn)。
當我們期待實驗柜給我們帶來科學驚喜時，也不要忘記了還有這些“幕后英雄”。
四、 在地面“遙控”空間站是怎樣的感覺？
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、應用、技術項目提供高水平科學研究平臺。如此繁多的科研任務，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相比，空間站應用任務具有長期運營、任務領域廣泛、實驗復雜、探索性強、多周期交迭、需求變化快等特點，針對空間站研發(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”們負責空間應用任務各領域在軌任務的統(tǒng)一指揮、調(diào)度與決策，任務規(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，架起地面科學家、載荷工程師與空間實（試）驗的橋梁：地面上的科學家能夠快速收到空間站里的科學實驗結(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。
五、 我們已經(jīng)在路上，未來如何？
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”終于被他們一步步變成了“可能”。
核心艙發(fā)射成功后，我國的空間科學與應用將跨出奠基性和關鍵性的一步。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年長五復飛后的測控大廳（圖片來源：微博@我們的太空 ）
