實驗艙里“點火”燒開水打造空間技術研究“夢工場”

夢天實驗艙在軌示意圖。圖片｜北京日報

在空間站的三個艙段中，夢天實驗艙主要承擔空間科學實驗任務。中國科學院聯合優勢力量協同攻關，研制了超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學實驗柜、兩相系統實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學實驗柜、在線維修裝調實驗柜等7個方面的8個科學實驗柜。

利用這些實驗柜，重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究將在太空開展。目前在上述方向已規劃安排了約40項科學實驗項目，其中包含部分國際合作研究，預期能在上述領域做出具有國際水平的科學研究成果。

早在2016年，一臺精度高達3000萬年誤差1秒的冷原子微波鐘，就曾隨天宮二號遨游太空。現在，比它還準的冷原子鍶光鐘作為高精度時頻實驗系統的核心組成部分，跟隨夢天實驗艙首次進入太空，將實現30億年誤差1秒的精度。

高精度時頻實驗系統是中科院本次上行的實驗系統中唯一一對“雙胞胎”。“可以說它是本批實驗系統中結構最復雜、研制難度最大的。”高精度時頻實驗系統研制任務總指揮、責任科學家張首剛介紹，該系統包含了主動氫原子鐘、冷原子微波鐘、冷原子鍶光鐘等13臺單機，分別安裝在艙內和艙外，其中艙內分為時頻柜Ⅰ、時頻柜Ⅱ。

在太空產生高精度時間有何用？張首剛說，空間站提供的超高精度時間頻率信號，將用于相關基礎物理研究實驗，如引力紅移的測量、精細結構常數變化的探測等，支撐相對論及相關理論的高精度檢驗。也可以為地面一些重大科技基礎設施提供高精度時間同步信號，提升其性能。

夢天實驗艙轉運進入海南文昌航天發射場。圖片｜中國載人航天官網

此外，在線維修裝調操作柜也是精密操作的代表，該柜主任設計師張璐將它比作“太空維修工廠”。箱體內配備的一套7自由度的靈巧機械手，可實現精度達0.1毫米的操作。它配備的智能誘導維修系統將為航天員減負，增強現實眼鏡會提供清晰直觀的操作維修指引，無需再翻閱厚厚的操作手冊。

人工創造的極端條件，對科學研究來說極為寶貴。在夢天實驗艙中，科學實驗柜能在太空創造出低至接近“絕對零度”，高至1600攝氏度的實驗條件。

“超冷原子物理實驗柜可以帶領我們以地面上不可能的方式進入量子力學的奇異世界。”超冷原子物理實驗柜副主任設計師汪斌說，該柜是我國首個微重力條件下運行的超冷原子物理實驗平臺。利用空間站優越的微重力條件和一系列新方法新技術，有望制備出距“絕對零度”以上僅千億分之一攝氏度范圍內的超低溫量子氣體，將能觀測到肉眼可見的宏觀量子現象。在微重力條件下，基于超冷原子物理實驗系統開展的重大物理問題研究，有望超越地面的限制獲得重大基礎科學突破，為基本物理定律提供更高精度的檢驗。

高溫材料實驗柜則恰好與之相反，它的最高加熱溫度可達1600攝氏度，且能長時間保持穩定，波動不超過正負0.25攝氏度。通過X射線成像，科學家可以實時觀察各種材料在微重力的高溫環境下熔化、凝固的過程。該柜還可以提供旋轉磁場、主動冷卻、加速度測量等附加功能和操作。

微重力環境有望制備出地面環境難以實現的微觀結構均勻、無缺陷的高質量材料，進而開發出新型、顛覆性的材料。高溫材料科學實驗柜科學實驗系統主任設計師劉學超透露，該柜首批將一次性自動化批量開展16個樣品的科學實驗，主要包括高溫合金材料、功能晶體材料和化合物半導體材料。未來，新型半導體材料、生物納米材料、能源材料、先進陶瓷及復合材料等新型材料都有機會開展在軌研究。

如果在太空點燃一簇火苗，其形狀將出乎你的意料——它呈現出一團圓圓的“火球”。燃燒科學實驗柜的主要任務，便是在太空“點火”，開展微重力燃燒基礎科學研究。

“大家可能會有疑問，在空間站做燃燒實驗會不會很危險？這完全不用擔心，我們的燃燒室密封非常好，不會影響空間站運行。”燃燒科學實驗柜科學實驗系統主任設計師鄭會龍解釋，在軌燃燒實驗的最大燃燒量僅100瓦，大約相當于點燃3根蠟燭。

氣體供給、點火燃燒、圖像拍攝、廢氣排放等燃燒實驗可在燃燒科學實驗柜中全自動進行，火焰形貌、結構、溫度、速度、產物組分等信息可被清晰捕捉測量。相關數據將助力燃燒基礎科學問題、空天推進、燃燒材料合成、航天器防火滅火等基礎及應用技術的發展。

如果在太空點燃一簇火苗，其形狀將出乎你的意料——它呈現出一團圓圓的“火球”。燃燒科學實驗柜的主要任務，便是在太空“點火”，開展微重力燃燒基礎科學研究。

幾次太空授課中，“太空教師”的主要道具都是流體，其背后隱含的則是大量微重力流體的基本知識。在失重情況下流體運動受什么控制？流體物理實驗柜科學實驗系統主任設計師、責任科學家康琦以燒開水來打比方。熱對流的典型應用之一便是燒開水，但在微重力環境下，熱對流機制會發生極大變化，浮力作用幾乎消失，溫差引起的表面張力變化在流體形成對流的過程中將成為主導因素。

微重力環境為流體創造了近乎理想的各向同性研究條件，流體運動表現出的許多新規律、新機制，都要通過太空實驗研究來重新認識。流體物理實驗柜能直接全面觀測流體的速度場、溫度場、濃度場、表面變形等，以及流變和自組織特性。

兩相系統實驗柜則瞄準了蒸發與冷凝、沸騰和熱管傳熱、空間在軌流體管理等科學研究與技術驗證。隨柜發射的首發科學實驗模塊將進行空間蒸發對流與相變傳熱強化實驗研究，其集成了3組封閉式蒸發液池和9種不同表面材料蒸發臺，計劃在軌完成600次不同工況的液滴和液層蒸發實驗。

中國空間站夢天實驗艙在文昌航天發射場整艙吊裝。圖片｜新華社

在我國空間站上，問天實驗艙的氣閘艙是航天員出艙的主要通道，而夢天實驗艙的貨物氣閘艙則是貨物出艙專用通道。

過去，空間站只能由航天員進行艙內外貨物的轉移、安裝，這種方式受到航天員出艙次數、載荷數量與大小的限制，頻繁開展出艙活動也會帶來復雜的安全考驗。貨物氣閘艙的應用，將為空間站后續開展各類艙外科學實驗提供強大支持。

貨物氣閘艙采用“內艙門+外艙門”雙門設計：通往工作艙的內艙門，是隔離艙內與艙外空間環境的關鍵設備；面向太空的外艙門是貨物的出艙口。為了保障航天員的在軌安全，內外兩道艙門不會同時開啟。

夢天實驗艙獨具的載荷自動進出艙功能，能進一步提高空間站進行艙外載荷實（試）驗的能力和效率。夢天實驗艙艙內配置了一臺載荷轉移機構，可以穩定地將貨物從艙內送出艙外，或將艙外貨物運回艙內。該機構的運送能力達400公斤，單次運送貨物包絡可達1.15米×1.2米×0.9米，相比航天員“人力帶貨”，運貨能力大幅提升。

跟航天員進出艙一樣，貨物進出艙也需要經過泄復壓過程，即出艙泄壓、進艙復壓，讓艙內外氣壓環境保持一致。因此對于氣閘艙來說，內部空間越大，就意味著在泄復壓期間損耗的氣體越多。為此，貨物氣閘艙的外形尺寸根據出艙貨物的大小進行了最優設計，2.2米的直徑既能保障貨物有充足的空間進行安全轉運，又能減少氣體損耗，提高空間站的氣體利用率。

執行貨物出艙任務時，航天員先開啟內艙門，此時外艙門呈關閉狀態，工作艙與氣閘艙形成密閉的工作環境，負責搬運貨物出艙的載荷轉移機構伸進艙內，航天員不用穿艙外航天服就可以開展載荷、貨物的安裝操作；隨后轉移機構縮回至氣閘艙，航天員關閉內艙門，由地面發出指令打開外艙門，實現貨物的順利出艙。

此外，為了滿足將來更大更重貨物的進出艙需求，貨物氣閘艙上還裝有我國空間站首個電動弧形方艙門。艙門寬達1.2米，采用全自動滑移設計，可以為貨物進出艙提供一條寬闊的走廊。

除了上述功能外，夢天實驗艙還擁有一項特別“炫酷”的能力——在軌釋放微小飛行器。艙內專門配置的釋放機構能夠滿足百公斤級微小飛行器或者多個規格立方星的在軌釋放需求。

通常情況下，釋放機構以組件形式收納在艙內，當需要執行釋放小衛星任務時，航天員可以按照立方星的規格進行在軌組裝。“包廂”單次最大載客量為36U（1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米）立方星或百公斤級微衛星。立方星安裝完成后，“包廂”搭乘載荷轉移機構轉移到艙外。

其中，微小衛星通過卡槽固定在釋放機構上，航天員可以通過控制步進電機運行釋放卡槽，再由彈簧機構將微小衛星彈出。立方星初始放置在盒狀機構中，通過控制閥門，打開鎖住立方星的控制門，然后由彈簧彈出立方星。在這一過程中，釋放機構控制器通過精準控制，打開傳送之門，將衛星送到“千里之外”。

釋放時，航天員先在艙內把微小衛星裝入釋放機構，釋放機構搭乘載荷轉移機構將小衛星運至艙外，出艙后，機械臂抓取釋放機構，對準指定方向，釋放機構再像彈弓一樣，把小衛星彈射出去。

此外，夢天實驗艙的載荷艙為空間站進行艙外科學實驗提供了強大的平臺支持。

載荷艙上配置2個展開式暴露平臺和1個固定式暴露平臺，全艙可提供24個標準載荷工位，能極大拓展空間站開展空間科學實驗的能力。

隨著更多科學實驗任務的開展，空間站載荷供電需求成倍增加。為此，夢天實驗艙配備了跟問天實驗艙一樣的巨型柔性太陽翼。我國空間站基本構型組裝完成后，兩個實驗艙配置的4副太陽翼將打造最強勁的“能量源泉”，使空間站日發電量達到近千度，實現“用電自由”。

◎ 來源|綜合北京日報、科技日報