实验舱里“点火”烧开水打造空间技术研究“梦工场”

梦天实验舱在轨示意图。图片｜北京日报

在空间站的三个舱段中，梦天实验舱主要承担空间科学实验任务。中国科学院联合优势力量协同攻关，研制了超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等7个方面的8个科学实验柜。

利用这些实验柜，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将在太空开展。目前在上述方向已规划安排了约40项科学实验项目，其中包含部分国际合作研究，预期能在上述领域做出具有国际水平的科学研究成果。

早在2016年，一台精度高达3000万年误差1秒的冷原子微波钟，就曾随天宫二号遨游太空。现在，比它还准的冷原子锶光钟作为高精度时频实验系统的核心组成部分，跟随梦天实验舱首次进入太空，将实现30亿年误差1秒的精度。

高精度时频实验系统是中科院本次上行的实验系统中唯一一对“双胞胎”。“可以说它是本批实验系统中结构最复杂、研制难度最大的。”高精度时频实验系统研制任务总指挥、责任科学家张首刚介绍，该系统包含了主动氢原子钟、冷原子微波钟、冷原子锶光钟等13台单机，分别安装在舱内和舱外，其中舱内分为时频柜Ⅰ、时频柜Ⅱ。

在太空产生高精度时间有何用？张首刚说，空间站提供的超高精度时间频率信号，将用于相关基础物理研究实验，如引力红移的测量、精细结构常数变化的探测等，支撑相对论及相关理论的高精度检验。也可以为地面一些重大科技基础设施提供高精度时间同步信号，提升其性能。

梦天实验舱转运进入海南文昌航天发射场。图片｜中国载人航天官网

此外，在线维修装调操作柜也是精密操作的代表，该柜主任设计师张璐将它比作“太空维修工厂”。箱体内配备的一套7自由度的灵巧机械手，可实现精度达0.1毫米的操作。它配备的智能诱导维修系统将为航天员减负，增强现实眼镜会提供清晰直观的操作维修指引，无需再翻阅厚厚的操作手册。

人工创造的极端条件，对科学研究来说极为宝贵。在梦天实验舱中，科学实验柜能在太空创造出低至接近“绝对零度”，高至1600摄氏度的实验条件。

“超冷原子物理实验柜可以带领我们以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界。”超冷原子物理实验柜副主任设计师汪斌说，该柜是我国首个微重力条件下运行的超冷原子物理实验平台。利用空间站优越的微重力条件和一系列新方法新技术，有望制备出距“绝对零度”以上仅千亿分之一摄氏度范围内的超低温量子气体，将能观测到肉眼可见的宏观量子现象。在微重力条件下，基于超冷原子物理实验系统开展的重大物理问题研究，有望超越地面的限制获得重大基础科学突破，为基本物理定律提供更高精度的检验。

高温材料实验柜则恰好与之相反，它的最高加热温度可达1600摄氏度，且能长时间保持稳定，波动不超过正负0.25摄氏度。通过X射线成像，科学家可以实时观察各种材料在微重力的高温环境下熔化、凝固的过程。该柜还可以提供旋转磁场、主动冷却、加速度测量等附加功能和操作。

微重力环境有望制备出地面环境难以实现的微观结构均匀、无缺陷的高质量材料，进而开发出新型、颠覆性的材料。高温材料科学实验柜科学实验系统主任设计师刘学超透露，该柜首批将一次性自动化批量开展16个样品的科学实验，主要包括高温合金材料、功能晶体材料和化合物半导体材料。未来，新型半导体材料、生物纳米材料、能源材料、先进陶瓷及复合材料等新型材料都有机会开展在轨研究。

如果在太空点燃一簇火苗，其形状将出乎你的意料——它呈现出一团圆圆的“火球”。燃烧科学实验柜的主要任务，便是在太空“点火”，开展微重力燃烧基础科学研究。

“大家可能会有疑问，在空间站做燃烧实验会不会很危险？这完全不用担心，我们的燃烧室密封非常好，不会影响空间站运行。”燃烧科学实验柜科学实验系统主任设计师郑会龙解释，在轨燃烧实验的最大燃烧量仅100瓦，大约相当于点燃3根蜡烛。

气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等燃烧实验可在燃烧科学实验柜中全自动进行，火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息可被清晰捕捉测量。相关数据将助力燃烧基础科学问题、空天推进、燃烧材料合成、航天器防火灭火等基础及应用技术的发展。

如果在太空点燃一簇火苗，其形状将出乎你的意料——它呈现出一团圆圆的“火球”。燃烧科学实验柜的主要任务，便是在太空“点火”，开展微重力燃烧基础科学研究。

几次太空授课中，“太空教师”的主要道具都是流体，其背后隐含的则是大量微重力流体的基本知识。在失重情况下流体运动受什么控制？流体物理实验柜科学实验系统主任设计师、责任科学家康琦以烧开水来打比方。热对流的典型应用之一便是烧开水，但在微重力环境下，热对流机制会发生极大变化，浮力作用几乎消失，温差引起的表面张力变化在流体形成对流的过程中将成为主导因素。

微重力环境为流体创造了近乎理想的各向同性研究条件，流体运动表现出的许多新规律、新机制，都要通过太空实验研究来重新认识。流体物理实验柜能直接全面观测流体的速度场、温度场、浓度场、表面变形等，以及流變和自组织特性。

两相系统实验柜则瞄准了蒸发与冷凝、沸腾和热管传热、空间在轨流体管理等科学研究与技术验证。随柜发射的首发科学实验模块将进行空间蒸发对流与相变传热强化实验研究，其集成了3组封闭式蒸发液池和9种不同表面材料蒸发台，计划在轨完成600次不同工况的液滴和液层蒸发实验。

中国空间站梦天实验舱在文昌航天发射场整舱吊装。图片｜新华社

在我国空间站上，问天实验舱的气闸舱是航天员出舱的主要通道，而梦天实验舱的货物气闸舱则是货物出舱专用通道。

过去，空间站只能由航天员进行舱内外货物的转移、安装，这种方式受到航天员出舱次数、载荷数量与大小的限制，频繁开展出舱活动也会带来复杂的安全考验。货物气闸舱的应用，将为空间站后续开展各类舱外科学实验提供强大支持。

货物气闸舱采用“内舱门+外舱门”双门设计：通往工作舱的内舱门，是隔离舱内与舱外空间环境的关键设备；面向太空的外舱门是货物的出舱口。为了保障航天员的在轨安全，内外两道舱门不会同时开启。

梦天实验舱独具的载荷自动进出舱功能，能进一步提高空间站进行舱外载荷实（试）验的能力和效率。梦天实验舱舱内配置了一台载荷转移机构，可以稳定地将货物从舱内送出舱外，或将舱外货物运回舱内。该机构的运送能力达400公斤，单次运送货物包络可达1.15米×1.2米×0.9米，相比航天員“人力带货”，运货能力大幅提升。

跟航天员进出舱一样，货物进出舱也需要经过泄复压过程，即出舱泄压、进舱复压，让舱内外气压环境保持一致。因此对于气闸舱来说，内部空间越大，就意味着在泄复压期间损耗的气体越多。为此，货物气闸舱的外形尺寸根据出舱货物的大小进行了最优设计，2.2米的直径既能保障货物有充足的空间进行安全转运，又能减少气体损耗，提高空间站的气体利用率。

执行货物出舱任务时，航天员先开启内舱门，此时外舱门呈关闭状态，工作舱与气闸舱形成密闭的工作环境，负责搬运货物出舱的载荷转移机构伸进舱内，航天员不用穿舱外航天服就可以开展载荷、货物的安装操作；随后转移机构缩回至气闸舱，航天员关闭内舱门，由地面发出指令打开外舱门，实现货物的顺利出舱。

此外，为了满足将来更大更重货物的进出舱需求，货物气闸舱上还装有我国空间站首个电动弧形方舱门。舱门宽达1.2米，采用全自动滑移设计，可以为货物进出舱提供一条宽阔的走廊。

除了上述功能外，梦天实验舱还拥有一项特别“炫酷”的能力——在轨释放微小飞行器。舱内专门配置的释放机构能够满足百公斤级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求。

通常情况下，释放机构以组件形式收纳在舱内，当需要执行释放小卫星任务时，航天员可以按照立方星的规格进行在轨组装。“包厢”单次最大载客量为36U（1U的体积是10厘米×10厘米×10厘米）立方星或百公斤级微卫星。立方星安装完成后，“包厢”搭乘载荷转移机构转移到舱外。

其中，微小卫星通过卡槽固定在释放机构上，航天员可以通过控制步进电机运行释放卡槽，再由弹簧机构将微小卫星弹出。立方星初始放置在盒状机构中，通过控制阀门，打开锁住立方星的控制门，然后由弹簧弹出立方星。在这一过程中，释放机构控制器通过精准控制，打开传送之门，将卫星送到“千里之外”。

释放时，航天员先在舱内把微小卫星装入释放机构，释放机构搭乘载荷转移机构将小卫星运至舱外，出舱后，机械臂抓取释放机构，对准指定方向，释放机构再像弹弓一样，把小卫星弹射出去。

此外，梦天实验舱的载荷舱为空间站进行舱外科学实验提供了强大的平台支持。

载荷舱上配置2个展开式暴露平台和1个固定式暴露平台，全舱可提供24个标准载荷工位，能极大拓展空间站开展空间科学实验的能力。

随着更多科学实验任务的开展，空间站载荷供电需求成倍增加。为此，梦天实验舱配备了跟问天实验舱一样的巨型柔性太阳翼。我国空间站基本构型组装完成后，两个实验舱配置的4副太阳翼将打造最强劲的“能量源泉”，使空间站日发电量达到近千度，实现“用电自由”。

◎ 来源|综合北京日报、科技日报