距离地球400公里的“神奇柜子”丨开讲啦

今年1月，中国科学院大学成立星际航行学院冲上热搜，钱学森半个世纪前的宏大构想变为现实。从“东方红一号”划破天际到“祝融号”漫步火星，中国人的航天梦从未停止。在距离地球400公里的地方，一批空间科学实验柜已在“天宫”里探索未来的蓝图。

从微观的基本粒子，到宏观生命体；从基础物理的颠覆性验证，到未来技术的空间锻造……空间科学实验柜中完成的近300项实验，正以前所未有的方式拓展着人类知识的边界。这些能在太空中精准运行的科学实验柜是如何设计、测试并被送入太空的？此外，我们在太空应用方面还有哪些前沿探索？本期《开讲啦》邀请中国载人航天工程空间应用系统总指挥助理张璐，带领我们走进空间应用的科研世界，揭秘空间科学实验柜从“地基”到“天宫”的创造之路。

中国空间站里还藏着个“炼丹炉”？

在中国空间站的天和核心舱中，运行着一个被称为“太空炼丹炉”的科学实验柜——无容器材料实验柜。“它是第一批被送上天的科学实验柜，也是我主导研发的第一个科学实验柜。”张璐介绍道。

▲无容器材料实验柜

这个“炼丹炉”的奥妙，在于它完全摆脱了传统容器对材料生长的束缚。通过静电悬浮术让材料保持悬浮状态，利用激光对其进行加热，实现从熔融到凝固的全程“无接触”生长。

无容器材料实验柜为啥能第一个上天？“核心舱发射的时候，我们希望送上去一个能够边建设、边研究、边应用的科学实验柜，能够去最大化地发挥实验柜的科学和应用效应。”张璐解释道，“微重力环境下的材料科学会产生一些全新的现象，而且材料科学发展可以直接影响我们地面国民经济生产各个方面。”

▲无容器材料实验柜中加热的材料样品

为什么一定要去太空做实验？

还记得那四只上天的“太空小鼠”吗？这里，就是它们的“太空之家”。

小鼠离开地球来到400公里外的中国空间站时，它们已成为人类探索太空的先遣兵。为何一定要在太空做科学实验？张璐分享道，“空间站提供了地球上无法复制的科研条件：长期稳定的微重力和航天员的参与。”在这些独特条件下，科学家才能揭示重力对生命演化的影响，观测到地面被掩盖的物理规律。

“太空小鼠”承载着关键使命：提供在脱离地球重力束缚后，生命体的生理、心理与机能将如何变化的实验数据。这也正是未来人类真正走向深空不可或缺的“生存密码”。而让小鼠拥有舒适安全的“太空之家”背后，是空间科学实验柜与通用科学设施平台构成的完整实验体系，它们是专为太空特殊环境设计的“科学实验室”。

把空间科学实验柜送入太空

难度系数有多高？

当被问及14个实验柜中哪个最难，张璐回答：“一头一尾。”

“头”是无容器材料实验柜，它承担着为所有实验柜“定方向”的重任。就连一个看似简单的抽屉把手，都藏着精巧设计——上面有个小开关，不按就打不开，既保证安全又方便操作。张璐坦言：“我们连四个支撑角的开孔位置都琢磨了无数遍。”

“尾”则是高精度时频实验柜，这个要实现“60亿年误差不到1秒”的太空原子钟，是真正的技术挑战。张璐至今记得第一次走进国家授时中心地下实验室时的震撼：上百平方米的空间里布满精密的光学设备，激光在复杂的路径中穿梭。“我当时就想，这么庞大的系统，怎么能装进1.8米高的柜子里？”

更严峻的挑战在于，因为时频系统设计的特殊性，它对光路的稳定性要求极高，动一丝一毫都不行，所以这套实验柜必须经受住火箭发射的剧烈振动。2022年，90人的攻关团队经历了45天日夜奋战，解决了这些原本需要一年才能攻克的技术难题。在2022年7月6日，高精度时频实验柜终于启程，出发太空。

空间科学实验柜的“7厘米巧思”

上图中，左图是国际空间站内部，右图是中国空间站内部。

中国空间站如何做到如此整洁有序？张璐在现场揭开了中国空间站“清爽”背后的设计理念。

中国空间站中有14个科学实验柜，是经过长达十年的论证与迭代才确定的最终方案，科学实验柜所具备的能力，既要瞄准世界科学前沿，又要满足国内数百个科研团队的实际需求。张璐分享道：“我们也有像左边这张图上的线缆、管路和气路。在设计时，科学家们给我们提了一个要求，就是要留出更多空间使他们携带更多的科学设备上去。所以我们统一利用柜子背后7厘米的弧度空间，把所有线缆、管路和气路都集成在一起，这种‘隐蔽工程’既节省了宝贵空间，又让航天员的操作更安全便捷。”

▲分布在中国空间站各个实验舱内的科学实验柜

实验柜就像葫芦娃七兄弟，各有神通，这些实验柜也各有专长，但它们都遵循一个共同的设计原则——标准化、模块化。正因为模块化的设计，这些“兄弟”还能互相“支援”——如果某个柜子的板卡坏了，可以从旁边柜子“借用”，立即恢复运行。“我们设计的不只是实验设备，更是一个可持续的科研平台。”张璐表示。如今，这14个空间科学实验柜已经支撑起空间站近300项科学实验，是中国太空实验室的核心力量。

一场123天的“太空救援”

2024年，我国成功发射的全球首个DRO轨道三星系统曾面临惊心动魄的考验——两颗卫星入轨异常，并且以200度每秒的速度高速旋转，帆板受损。研判之后，一场持续123天的“太空救援”就此展开。

提起这场救援，张璐回忆道，面对卫星的严峻状况，科学家团队快速做出决定——先让高速旋转的卫星“慢下来”，并保持双星捆绑状态，以便交互使用燃料。最后再通过无数次精准的轨道修正，让“折翼”的卫星重返正轨。

DRO轨道三星系统是什么？为什么要不惜代价抢救这“折翼”卫星？张璐做了一个形象的比喻：“我们把地球和月球之间的区域当作一片大海，地球和月球则是海上两个互有引力的岛屿，DRO三星就像三座灯塔，可以互相配合着照亮整片海洋，所以DRO轨道被称为‘地月空间的十字路口’。”DRO轨道还具有几个独特的优势，首先是进入DRO轨道的燃料消耗仅为进入传统轨道的五分之一；其次，轨道稳定性极强，可维持数十年甚至百年不变；由于其处于地月系统的势能“高位”，是未来月球探测、深空探索的天然中转站。更重要的是，DRO轨道三星系统是世界上首次验证的科学项目，它承载着中国航天人抢占科技制高点的寄托和情怀。这次救援本身也是一次珍贵的深空实战演练，在长达4个月的抢救过程中，我国航天团队验证了远程轨道修正、多星协同控制等关键技术。张璐说：“我们无法提前知晓探索深空会面临的问题，但只要大家有一个坚定的信念和向前探索的思路，未来人类一定会走向更浩瀚的宇宙。”

来源：中央广播电视总台

责任编辑：闫文艺