载人空间站的科学任务及主要设施

发布时间：2024-06-29|阅读：353次

去年我们国家成功建成了空间站组合体。这是我国历经近30年的载人航天积累的技术突破的结果，也是我国相关领域科学家们所期盼的。这为国内外科学家未来在这一领域的研究提供了重要的历史机遇。

空间站的主要目标是利用空间微重力辐射和突破大气屏障等特殊条件，研究生命物质运动的基本规律，同时也探索宇宙天体和地球系统科学的问题。主要研究方面包括生命科学人体研究、微重力科学、空间天文以及新技术实验等。我们期望通过10至15年的努力，推动我国基础科学研究和空间科学研究走向世界前沿。

目前，空间站是我国规模最大、领域最广的空间研究计划。下面我将简要介绍其中的一些实验装置。这些实验装置主要是以实验柜的形式存在的。实验柜是采用先进测试诊断技术的小型空间实验室，能够适应一系列不同领域的科学研究工作。

生命科学方面有两个主要的实验装置。生命生态科学实验柜是一个用于开展生物个体研究的实验柜，可以容纳植物、昆虫、小鼠以及微生物、水生生物等生物，以这些生物为对象开展个体水平上的空间生命科学基础和应用研究。

另外一个是生物技术科学实验柜，它主要应用于生命体的部件研究，如细胞、干细胞组织、类器官培养以及蛋白质生物分子的研究。这些研究需要大量的仪器支持，并配备生命保障条件来确保实验样品的安全运输和存储。实验结束后，样品可以被存储在低温存储装置中，既可以返回地面，也可以通过观察设备在天上获取部分研究成果。

左：生命生态科学实验柜 右：生物技术科学实验柜

在材料科学方面，我们也有两个主要装置。首先是静电悬浮的无容器材料科学实验柜，它通过静电作用使各种带电材料悬浮在一个容器中，并通过激光进行加热。这个实验柜可以用于研究材料的凝固、熔融和过冷现象，尤其是热物性的测试。目前已经完成金属锆，钛钴钆、锆钒、铌硅合金等大批研究，首次在轨获取了材料深过冷凝固再辉、结晶生长等重要科学数据。

实验过程——锆钒合金样品融化前(左)、融化后（中）和凝固后的状态（右）

其次是高温材料科学实验柜，它利用高温炉体对金属合金、无机材料以及光电子材料、纳米材料等进行熔融、凝固、处理。该实验柜具备X射线成像和原位检测能力。样品通常包裹在石英鞘体（安瓿瓶）中，像左轮手枪的子弹一样装在批量样品管理模块里，从而使得这个装置每批可以处理16个样品。

高温材料科学实验柜

通用流体物理实验柜是流体研究的基本设备之一。它可用于开展流体动力学、复杂流体、其他透明体系材料、生物体等材料在微重力下的流体和传热传质实验研究。该实验柜配备了先进的光学诊断系统，包括数字全息技术等。实验容器可以根据需要更换，以便开展不同的实验。此外，还有两相流体实验柜，用于研究蒸发冷却、微重力下的蒸发冷却以及两相流动现象。它可用于相变传热研究和工程技术研究。

左：通用流体物理实验柜  右：两相流体实验柜

燃烧科学实验柜可以在封闭的燃烧室内进行气体、液体、固体的燃烧实验，通过插件来模拟不同类型的燃烧过程。该实验柜同样具备丰富的诊断设备，可用于开展近极限低碳燃烧、节能减排、发动机内外燃和材料防火等研究，以及研究燃烧过程中的化学动力学过程。

左：燃烧室和气体供给组件  中：光学板背面诊断设备  右：燃烧实验插件(气体)

超冷原子科学实验柜，可通过二维磁光阱、三维磁光阱和光阱蒸发对铷原子进行多级冷却，将铷原子的温度冷却到几个纳开尔文级别。该装置还具有光晶格，将铷原子装载到光晶格后可进行更丰富的超低温原子物理实验，比如开展极低温下量子新物态、声波黑洞等基础物理前沿研究。

高精度时间频率科学实验柜包括了主动氢钟、冷原子铷微波钟等。实验柜各项性能已经满足了高精度时间频率实验的要求，并可与位于密云、嘉定、西安地面固定站和流动站进行时频比对。该实验柜将提供最高稳定度和准确度的时间频率，支持相对论洛伦兹不变性、精细结构常数测定、全球重力位测量等基础物理研究和广泛的应用研究。

左：超冷原子科学实验柜 中、右：高精度时间频率科学实验柜

科学手套箱和低温存储柜可用于航天员直接操作科学实验，提供洁净密闭、环境可控、具有微操作能力、实验装置可更换且便于操作的手套箱。该装置支持生命科学和人体研究，材料科学和其他研究，同时可对生物样品进行低温保存，是空间站中航天员使用最频繁的设备。

科学手套箱和低温存储柜

高微重力科学实验柜利用两级悬浮技术实现电磁悬浮。通过电磁作用和位置调整，实验装置能够与外部隔离，实现震动隔离和短时间漂浮。整个实验装置可以被拉到舱外，通过微推开展无拖曳实验过程。同时，实验装置的位置和姿态也可以调整。目前测试结果显示，实验装置已经达到了10^-7重力加速度的重力水平。内部装置可以容纳不同的实验装置，用于开展相对论效应验证、引力物理等高精度基础物理研究及精密测量等不同实验。

变重力科学实验柜可以提供在轨变重力实验环境，开展重力相关科学实验。目前已有实验证明它在空间利用转子模拟重力效果非常有效。通过旋转产生的离心加速在天上没有重力的情况下更为实际。

左：高微重力科学实验柜 右：变重力科学实验柜

在线维修装调操作实验柜具有多功能性。可用于维修操作；同时能提供洁净环境，可用于流体科学和颗粒物质等重要实验研究，并避免与其他设备干扰。

在线维修装调操作实验柜

此外，在空间站舱外还有专门的暴露实验装置，可直接接受宇宙辐射并在空间暴露环境下开展不同实验。通过机械臂将样品送至实验装置进行实验，完成后再通过机械臂将其送回空间站的气闸舱。在气闸舱内充实气体后，再返回舱内进行分解、获取样品或进一步研究。

空间应用材料舱外暴露实验装置

手套箱是将高纯惰性气体充入箱体内，并循环过滤掉其中的活性物质的实验室设备。 也称真空手套箱、惰性气体保护箱等，它是一套全封闭式系统，能够有效除去水、氧以及 有机气体，主要功能在于对O2、H2O 、有机气体的清除。广泛应用于无水、无氧、无尘的 超纯环境。 

产品特点 

简单：人性化设计操作窗口，智能 HMI 人机界面，操作方便； 

安全：高密封性充分保护了人身和样品的安全； 

高效：一体化设计提高设备使用效率； 

节能：变频调节控制运行。