今年1月,中國科學院大學成立星際航行學院沖上熱搜,錢學森半個世紀前的宏大構想變為現實。從“東方紅一號”劃破天際到“祝融號”漫步火星,中國人的航天夢從未停止。在距離地球400公里的地方,一批空間科學實驗柜已在“天宮”里探索未來的藍圖。
從微觀的基本粒子,到宏觀生命體;從基礎物理的顛覆性驗證,到未來技術的空間鍛造……空間科學實驗柜中完成的近300項實驗,正以前所未有的方式拓展著人類知識的邊界。這些能在太空中精準運行的科學實驗柜是如何設計、測試并被送入太空的?此外,我們在太空應用方面還有哪些前沿探索?本期《開講啦》邀請中國載人航天工程空間應用系統總指揮助理張璐,帶領我們走進空間應用的科研世界,揭秘空間科學實驗柜從“地基”到“天宮”的創造之路。
中國空間站里還藏著個“煉丹爐”?
在中國空間站的天和核心艙中,運行著一個被稱為“太空煉丹爐”的科學實驗柜——無容器材料實驗柜。“它是第一批被送上天的科學實驗柜,也是我主導研發的第一個科學實驗柜。”張璐介紹道。
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▲無容器材料實驗柜
這個“煉丹爐”的奧妙,在于它完全擺脫了傳統容器對材料生長的束縛。通過靜電懸浮術讓材料保持懸浮狀態,利用激光對其進行加熱,實現從熔融到凝固的全程“無接觸”生長。
無容器材料實驗柜為啥能第一個上天?“核心艙發射的時候,我們希望送上去一個能夠邊建設、邊研究、邊應用的科學實驗柜,能夠去最大化地發揮實驗柜的科學和應用效應。”張璐解釋道,“微重力環境下的材料科學會產生一些全新的現象,而且材料科學發展可以直接影響我們地面國民經濟生產各個方面。”
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▲無容器材料實驗柜中加熱的材料樣品
為什么一定要去太空做實驗?
還記得那四只上天的“太空小鼠”嗎?這里,就是它們的“太空之家”。
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小鼠離開地球來到400公里外的中國空間站時,它們已成為人類探索太空的先遣兵。為何一定要在太空做科學實驗?張璐分享道,“空間站提供了地球上無法復制的科研條件:長期穩定的微重力和航天員的參與。”在這些獨特條件下,科學家才能揭示重力對生命演化的影響,觀測到地面被掩蓋的物理規律。
“太空小鼠”承載著關鍵使命:提供在脫離地球重力束縛后,生命體的生理、心理與機能將如何變化的實驗數據。這也正是未來人類真正走向深空不可或缺的“生存密碼”。而讓小鼠擁有舒適安全的“太空之家”背后,是空間科學實驗柜與通用科學設施平臺構成的完整實驗體系,它們是專為太空特殊環境設計的“科學實驗室”。
把空間科學實驗柜送入太空
難度系數有多高?
當被問及14個實驗柜中哪個最難,張璐回答:“一頭一尾。”
“頭”是無容器材料實驗柜,它承擔著為所有實驗柜“定方向”的重任。就連一個看似簡單的抽屜把手,都藏著精巧設計——上面有個小開關,不按就打不開,既保證安全又方便操作。張璐坦言:“我們連四個支撐角的開孔位置都琢磨了無數遍。”
“尾”則是高精度時頻實驗柜,這個要實現“60億年誤差不到1秒”的太空原子鐘,是真正的技術挑戰。張璐至今記得第一次走進國家授時中心地下實驗室時的震撼:上百平方米的空間里布滿精密的光學設備,激光在復雜的路徑中穿梭。“我當時就想,這么龐大的系統,怎么能裝進1.8米高的柜子里?”
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更嚴峻的挑戰在于,因為時頻系統設計的特殊性,它對光路的穩定性要求極高,動一絲一毫都不行,所以這套實驗柜必須經受住火箭發射的劇烈振動。2022年,90人的攻關團隊經歷了45天日夜奮戰,解決了這些原本需要一年才能攻克的技術難題。在2022年7月6日,高精度時頻實驗柜終于啟程,出發太空。
空間科學實驗柜的“7厘米巧思”
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上圖中,左圖是國際空間站內部,右圖是中國空間站內部。
中國空間站如何做到如此整潔有序?張璐在現場揭開了中國空間站“清爽”背后的設計理念。
中國空間站中有14個科學實驗柜,是經過長達十年的論證與迭代才確定的最終方案,科學實驗柜所具備的能力,既要瞄準世界科學前沿,又要滿足國內數百個科研團隊的實際需求。張璐分享道:“我們也有像左邊這張圖上的線纜、管路和氣路。在設計時,科學家們給我們提了一個要求,就是要留出更多空間使他們攜帶更多的科學設備上去。所以我們統一利用柜子背后7厘米的弧度空間,把所有線纜、管路和氣路都集成在一起,這種‘隱蔽工程’既節省了寶貴空間,又讓航天員的操作更安全便捷。”
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▲分布在中國空間站各個實驗艙內的科學實驗柜
實驗柜就像葫蘆娃七兄弟,各有神通,這些實驗柜也各有專長,但它們都遵循一個共同的設計原則——標準化、模塊化。正因為模塊化的設計,這些“兄弟”還能互相“支援”——如果某個柜子的板卡壞了,可以從旁邊柜子“借用”,立即恢復運行。“我們設計的不只是實驗設備,更是一個可持續的科研平臺。”張璐表示。如今,這14個空間科學實驗柜已經支撐起空間站近300項科學實驗,是中國太空實驗室的核心力量。
一場123天的“太空救援”
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2024年,我國成功發射的全球首個DRO軌道三星系統曾面臨驚心動魄的考驗——兩顆衛星入軌異常,并且以200度每秒的速度高速旋轉,帆板受損。研判之后,一場持續123天的“太空救援”就此展開。
提起這場救援,張璐回憶道,面對衛星的嚴峻狀況,科學家團隊快速做出決定——先讓高速旋轉的衛星“慢下來”,并保持雙星捆綁狀態,以便交互使用燃料。最后再通過無數次精準的軌道修正,讓“折翼”的衛星重返正軌。
DRO軌道三星系統是什么?為什么要不惜代價搶救這“折翼”衛星?張璐做了一個形象的比喻:“我們把地球和月球之間的區域當作一片大海,地球和月球則是海上兩個互有引力的島嶼,DRO三星就像三座燈塔,可以互相配合著照亮整片海洋,所以DRO軌道被稱為‘地月空間的十字路口’。”DRO軌道還具有幾個獨特的優勢,首先是進入DRO軌道的燃料消耗僅為進入傳統軌道的五分之一;其次,軌道穩定性極強,可維持數十年甚至百年不變;由于其處于地月系統的勢能“高位”,是未來月球探測、深空探索的天然中轉站。更重要的是,DRO軌道三星系統是世界上首次驗證的科學項目,它承載著中國航天人搶占科技制高點的寄托和情懷。這次救援本身也是一次珍貴的深空實戰演練,在長達4個月的搶救過程中,我國航天團隊驗證了遠程軌道修正、多星協同控制等關鍵技術。張璐說:“我們無法提前知曉探索深空會面臨的問題,但只要大家有一個堅定的信念和向前探索的思路,未來人類一定會走向更浩瀚的宇宙。”
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來源:中央廣播電視總臺
責任編輯:閆文藝
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