距離地球400公里的“神奇柜子”丨開講啦

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。

▲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。”

▲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”。

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？”

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”

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。”

▲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”

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。”

來源：中央廣播電視總臺

責任編輯：閆文藝