中国太空实验室

龙学锋

2021年4月29日，中国空间站天和核心舱从文昌航天发射场启程，由长征五号B遥二运载火箭成功送入地球轨道，这意味着中国空间站建造进入实质性“施工”阶段。2022年6月5日，神舟十四号载人飞船发射成功，约7小时后成功对接天和核心舱。2022年7月、10月，我国陆续发射“问天”和“梦天”两个实验舱，与天和核心舱对接，进行舱段转位，并在2022年底前完成空间站三舱组合体建造，最终完成空间站在轨建造，建成国家太空实验室。中国空间站为何选择三舱结构？太空实验室什么样？太空实验室将进行哪些研究？

中国空间站为什么选择三舱结构

“三舱”主要包括天和核心舱及问天、梦天两个实验舱。核心舱作为空间站的主控舱段，既是空间站的管理和控制中心，也是航天员生活的主要场所。为什么要建两个实验室呢？在太空中开展的科学实验，大多数是在密封的条件下进行的，但也有一些需要在暴露条件下进行，如对空间环境进行监测等。因此，一个实验舱显然无法满足相关科学实验的要求。在问天实验舱和梦天实验舱先后就位，并与天和核心舱形成组合体后，中国空间站的功能将会变得愈发完善、强大。

问天、梦天实验舱与天和核心舱“三舱合体”后，将呈T字形结构。这是因为T字形具有结构紧凑、便于管理、便于控制和便于扩大规模的特点。设想一下，如果“三舱合体”采用一字“长蛇阵”的形式，从一端到另一端，长度接近50米，不仅结构不稳定，而且航天员出舱活动也很不方便。此外，T字形结构对于从整體上控制空间站的平衡也有好处。如果将来要扩大空间站的规模，从预留的对接口加一个舱段也很方便。

太空实验室什么样

天和核心舱全长约16.6米，最大直径约4.2米，发射质量为22.5吨。核心舱带有一个大型机械臂，其前方较为细长的部分是节点舱，尾部可以连接货运飞船，节点舱的前部有一个转位基座，可以连接载人飞船、两个实验舱，还有一个对天方向的出舱口，用于航天员出舱活动。作为空间站的主控舱段，天和核心舱是管理和控制中心，它要负责整个空间站的电源电路、环境控制、生命保障功能，包括气体压力、成分、温度、湿度的调节，水的回收管理，微生物控制和废弃物管理等，以满足航天员长期在太空飞行的生活需求。

问天实验舱的最大直径和天和核心舱一样，都是4.2米，全长17.9米，竖起来将近有6层楼高，超过天和核心舱及国际空间站上的任何一个舱段。它主要用于备份天和核心舱的部分平台功能，存放航天员的消耗品、空间站备品备件和补给货物等。问天实验舱配置了与核心舱一样的航天员生活设施，这里包括3个睡眠区、1个卫生区和厨房等设施，可以保障航天员生活所需。它还可以与核心舱一起支持两艘载人飞船轮换期间6名航天员的生活。另外，问天实验舱还配置了一个小型机械臂，既可以单独使用，也可以跟核心舱的大机械臂组合使用，共同完成航天员的出舱、舱外设施照料、巡检等任务。问天实验舱还配置了航天员出舱气闸舱，在空间站建成以后，这个气闸舱将作为航天员主用出舱活动的气闸舱。这时候，核心舱的节点舱只是作为备份。问天实验舱还是核心舱备份舱，当核心舱平台的功能出现故障时，可以切换至问天实验舱行使对于组合体的控制和管理功能，这样可以从整体上提高空间站的可靠性。

梦天实验舱的尺寸与问天实验舱的尺寸不相上下，其最大的不同之处在于配备了一个货物专用气闸舱。这个气闸舱能够在航天员和机械臂的配合下，实现设备的自动进出舱，并且更倾向于服务货物往来。梦天实验舱不仅配置了一个货物专用气闸舱，而且配备有一个舱外展开实验平台。今后需要在舱外安装的科学实验设备，可以通过货运飞船运送到空间站，再通过货物气闸舱把载荷送到舱外，由机械臂或者航天员把它安装到舱外的平台上，这样可以实现舱外实验项目不断更新。

太空实验室将做哪些科学研究

空间站建造完成后，两个实验舱将是在轨航天员主要的工作场所。在这两个实验舱里都可以开展密封舱内和密封舱外的空间科学实验与技术试验。因为它们都配置了舱内载荷实验机柜以及舱外载荷安装平台，也能提供信息、供电和散热等支持与保障措施，可以开展空间科学、空间材料、空间医学以及空间探测等多个领域的实验。

问天实验舱主要面向空间生命科学研究，配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜，能够支持开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究以及密闭生态系统的实验研究，并通过可见光、荧光、显微成像等多种在线检测手段，支持分子、细胞、组织、器官等多层次生物实验研究，还能提供0.01～2g的变重力模拟，支持开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。

梦天实验舱主要面向微重力科学研究，配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理以及航天技术试验等多学科方向的实验柜，支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究。同时，在天宫二号空间冷原子钟的基础上，将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，构成在太空中频率稳定度和准确度最高的时间频率系统，开展引力红移、精细结构常数测量等前沿科学研究。此外，还在舱外安排了材料舱外暴露实验装置和元器件与组件舱外通用实验装置，用于开展舱外实验项目。后续还将发射与空间站共轨飞行的巡天空间望远镜研究设施，开展广域巡天观测。针对上述舱内科学实验机柜、舱外实验装置和巡天空间望远镜，在空间站建造阶段，共安排了近百项实验研究项目。后续转入常态化运营后，还将实施较大规模科学研究，预期将有力推动暗物质与暗能量、星系形成演化、物质本质规律、生命现象本质和人在太空的响应变化规律以及地球可持续发展等重大前沿科学问题的突破，为未来我国开展近地以远的载人空间探索提供深厚的科学和技术积累。

中国空间站有哪些新技术

亮点一：7个自由度大型空间机械臂

机械臂是空间站的一大创新，除了能够辅助航天员出舱执行任务之外，还能够帮助重量级舱段实行对接和转位，比如中国空间站上重量只有几百千克的机械舱能够举起重达25吨的舱段，简直不可思议。虽然美国、日本等国家在国际空间站上也都拥有自己的机械臂，但中国空间站机械臂的设计理念更为先进。最突出的地方就是中国空间站的机械臂有7个自由度，包括肩部3个自由度、腕部3个自由度和肘部1个自由度，全部伸长可达10米，这种特殊的组成结构使机械臂拥有了3个方位移动方式，能像人类手腕一样灵活地运动。此外，中国空间站的机械臂可以在多个自由度内进行爬行，能在一定程度上减少对机械臂长度的依赖性—就算机械臂长度有限，也能在转位的情况下充分发挥作用。

亮点二：再生式生命保障系统

我们知道，航天员在空间站的中生活成本很高，为了降低成本，同时也为保证航天员能在空间站内长期驻留，中国空间站在设计之初，就为其量身打造了一套再生式生命保障系统。不管是航天员呼出的水蒸气，还是排出的尿液，都可以通过这个系统进行回收，并最终又变成航天员的生活用水或饮用水。另外，在太空失重环境下，这个系统不仅可以实现水资源的再生，还能为其称重，测出物体的质量。在生活控制区内有一台经过改良的“太空体重秤”，航天员不仅可以测出自己在空间站中的体重变化，也可以测量其他物体的质量。中国是继俄罗斯、美国之后第三个掌握在太空中测出物体质量的国家。

亮点三：马力十足+天眼神望

中国空间站首次采用了LHT-100型霍尔电推发动机，其使用效率比化学能发动机高出几倍。它最大的优点是只需耗费极少的燃料，就能达到巨大的推动效果，这种新型的推动方式必定在未来的太空中成为主流。另外，中国空间站的太阳能帆板面积虽然没有国际空间站那么庞大，但其对太阳能的利用率是国际空间站的两倍。我国的太阳能柔性电池翼采用了更为先进的砷化镓材料，转化率可达到30%，发电功率可以达到100千瓦以上，而国际空间站对太阳能的转化率只能达到15%，发电功率为90千瓦左右。再者，中国空间站建成之后，我国还将发射一艘巡天号光学舱，搭载一架巡天望远镜前往太空。届时，这个光学舱将会围繞中国空间站飞行，它被称为中国空间站的首颗伴飞卫星。其所搭载的巡天望远镜的口径为两米，重达10多吨，其分辨率和美国最先进的WFIRST望远镜相差无几，而视场要比哈勃望远镜高300倍以上，也就是说，到时我们可以观测到更大范围的宇宙，可以对宇宙中的黑洞、白洞、行星演变等现象进行更加深入的研究。