今年1月，中國科學(xué)院大學(xué)成立星際航行學(xué)院沖上熱搜，錢學(xué)森半個(gè)世紀(jì)前的宏大構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從“東方紅一號(hào)”劃破天際到“祝融號(hào)”漫步火星，中國人的航天夢(mèng)從未停止。在距離地球400公里的地方，一批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜已在“天宮”里探索未來的藍(lán)圖。

從微觀的基本粒子，到宏觀生命體；從基礎(chǔ)物理的顛覆性驗(yàn)證，到未來技術(shù)的空間鍛造……空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中完成的近300項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，正以前所未有的方式拓展著人類知識(shí)的邊界。這些能在太空中精準(zhǔn)運(yùn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是如何設(shè)計(jì)、測(cè)試并被送入太空的？此外，我們?cè)谔諔?yīng)用方面還有哪些前沿探索？本期《開講啦》邀請(qǐng)中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)總指揮助理張璐，帶領(lǐng)我們走進(jìn)空間應(yīng)用的科研世界，揭秘空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜從“地基”到“天宮”的創(chuàng)造之路。

中國空間站里還藏著個(gè)“煉丹爐”？

在中國空間站的天和核心艙中，運(yùn)行著一個(gè)被稱為“太空煉丹爐”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜——無容器材料實(shí)驗(yàn)柜?！八堑谝慌凰蜕咸斓目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)柜，也是我主導(dǎo)研發(fā)的第一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜?！睆堣唇榻B道。

▲無容器材料實(shí)驗(yàn)柜

這個(gè)“煉丹爐”的奧妙，在于它完全擺脫了傳統(tǒng)容器對(duì)材料生長(zhǎng)的束縛。通過靜電懸浮術(shù)讓材料保持懸浮狀態(tài)，利用激光對(duì)其進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)從熔融到凝固的全程“無接觸”生長(zhǎng)。

無容器材料實(shí)驗(yàn)柜為啥能第一個(gè)上天？“核心艙發(fā)射的時(shí)候，我們希望送上去一個(gè)能夠邊建設(shè)、邊研究、邊應(yīng)用的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，能夠去最大化地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)柜的科學(xué)和應(yīng)用效應(yīng)。”張璐解釋道，“微重力環(huán)境下的材料科學(xué)會(huì)產(chǎn)生一些全新的現(xiàn)象，而且材料科學(xué)發(fā)展可以直接影響我們地面國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)各個(gè)方面?！?/p>

▲無容器材料實(shí)驗(yàn)柜中加熱的材料樣品

為什么一定要去太空做實(shí)驗(yàn)？

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(shí)，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(xué)實(shí)驗(yàn)？張璐分享道，“空間站提供了地球上無法復(fù)制的科研條件：長(zhǎng)期穩(wěn)定的微重力和航天員的參與。”在這些獨(dú)特條件下，科學(xué)家才能揭示重力對(duì)生命演化的影響，觀測(cè)到地面被掩蓋的物理規(guī)律。

“太空小鼠”承載著關(guān)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(jī)能將如何變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。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(xué)實(shí)驗(yàn)柜與通用科學(xué)設(shè)施平臺(tái)構(gòu)成的完整實(shí)驗(yàn)體系，它們是專為太空特殊環(huán)境設(shè)計(jì)的“科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”。

把空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜送入太空

難度系數(shù)有多高？

當(dāng)被問及14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜中哪個(gè)最難，張璐回答：“一頭一尾。”

“頭”是無容器材料實(shí)驗(yàn)柜，它承擔(dān)著為所有實(shí)驗(yàn)柜“定方向”的重任。就連一個(gè)看似簡(jiǎn)單的抽屜把手，都藏著精巧設(shè)計(jì)——上面有個(gè)小開關(guān)，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(gè)支撐角的開孔位置都琢磨了無數(shù)遍?！?/p>

“尾”則是高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜，這個(gè)要實(shí)現(xiàn)“60億年誤差不到1秒”的太空原子鐘，是真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。張璐至今記得第一次走進(jìn)國家授時(shí)中心地下實(shí)驗(yàn)室時(shí)的震撼：上百平方米的空間里布滿精密的光學(xué)設(shè)備，激光在復(fù)雜的路徑中穿梭?！拔耶?dāng)時(shí)就想，這么龐大的系統(tǒng)，怎么能裝進(jìn)1.8米高的柜子里？”

更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)在于，因?yàn)闀r(shí)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性，它對(duì)光路的穩(wěn)定性要求極高，動(dòng)一絲一毫都不行，所以這套實(shí)驗(yàn)柜必須經(jīng)受住火箭發(fā)射的劇烈振動(dòng)。2022年，90人的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了45天日夜奮戰(zhàn)，解決了這些原本需要一年才能攻克的技術(shù)難題。在2022年7月6日，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜終于啟程，出發(fā)太空。

空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的“7厘米巧思”

上圖中，左圖是國際空間站內(nèi)部，右圖是中國空間站內(nèi)部。

中國空間站如何做到如此整潔有序？張璐在現(xiàn)場(chǎng)揭開了中國空間站“清爽”背后的設(shè)計(jì)理念。

中國空間站中有14個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，是經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)十年的論證與迭代才確定的最終方案，科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜所具備的能力，既要瞄準(zhǔn)世界科學(xué)前沿，又要滿足國內(nèi)數(shù)百個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，科學(xué)家們給我們提了一個(gè)要求，就是要留出更多空間使他們攜帶更多的科學(xué)設(shè)備上去。所以我們統(tǒng)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(jié)省了寶貴空間，又讓航天員的操作更安全便捷?！?/p>

▲分布在中國空間站各個(gè)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

實(shí)驗(yàn)柜就像葫蘆娃七兄弟，各有神通，這些實(shí)驗(yàn)柜也各有專長(zhǎng)，但它們都遵循一個(gè)共同的設(shè)計(jì)原則——標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。正因?yàn)槟K化的設(shè)計(jì)，這些“兄弟”還能互相“支援”——如果某個(gè)柜子的板卡壞了，可以從旁邊柜子“借用”，立即恢復(fù)運(yùn)行。“我們?cè)O(shè)計(jì)的不只是實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更是一個(gè)可持續(xù)的科研平臺(tái)?！睆堣幢硎尽Ｈ缃?，這14個(gè)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜已經(jīng)支撐起空間站近300項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是中國太空實(shí)驗(yàn)室的核心力量。

一場(chǎng)123天的“太空救援”

2024年，我國成功發(fā)射的全球首個(gè)DRO軌道三星系統(tǒng)曾面臨驚心動(dòng)魄的考驗(yàn)——兩顆衛(wèi)星入軌異常，并且以200度每秒的速度高速旋轉(zhuǎn)，帆板受損。研判之后，一場(chǎng)持續(xù)123天的“太空救援”就此展開。

提起這場(chǎng)救援，張璐回憶道，面對(duì)衛(wèi)星的嚴(yán)峻狀況，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)快速做出決定——先讓高速旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星“慢下來”，并保持雙星捆綁狀態(tài)，以便交互使用燃料。最后再通過無數(shù)次精準(zhǔn)的軌道修正，讓“折翼”的衛(wèi)星重返正軌。

DRO軌道三星系統(tǒng)是什么？為什么要不惜代價(jià)搶救這“折翼”衛(wèi)星？張璐做了一個(gè)形象的比喻：“我們把地球和月球之間的區(qū)域當(dāng)作一片大海，地球和月球則是海上兩個(gè)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’?！盌RO軌道還具有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，首先是進(jìn)入DRO軌道的燃料消耗僅為進(jìn)入傳統(tǒng)軌道的五分之一；其次，軌道穩(wěn)定性極強(qiáng)，可維持?jǐn)?shù)十年甚至百年不變；由于其處于地月系統(tǒng)的勢(shì)能“高位”，是未來月球探測(cè)、深空探索的天然中轉(zhuǎn)站。更重要的是，DRO軌道三星系統(tǒng)是世界上首次驗(yàn)證的科學(xué)項(xiàng)目，它承載著中國航天人搶占科技制高點(diǎn)的寄托和情懷。這次救援本身也是一次珍貴的深空實(shí)戰(zhàn)演練，在長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的搶救過程中，我國航天團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了遠(yuǎn)程軌道修正、多星協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)。張璐說：“我們無法提前知曉探索深空會(huì)面臨的問題，但只要大家有一個(gè)堅(jiān)定的信念和向前探索的思路，未來人類一定會(huì)走向更浩瀚的宇宙?！?/strong>

來源：中央廣播電視總臺(tái)

責(zé)任編輯：閆文藝