高潔凈、高真空、微重力……太空具備有利于開展科學(xué)實驗的條件，一直讓科學(xué)家向往。但過去多次空間任務(wù)中，特定、明確的科學(xué)實驗需要的實驗裝置是“專人專用”的。這顯然不能滿足科學(xué)家的需要——他們想要滿足不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的通用“太空實驗室”。

“太空實驗室”主要靠科學(xué)實驗柜實現(xiàn)，每個科學(xué)實驗柜都相當(dāng)于一個專業(yè)學(xué)科或研究領(lǐng)域的實驗研究平臺。日前成功發(fā)射的“天和”核心艙安排上了!艙內(nèi)配置了無容器實驗柜和高微重力實驗柜等兩個科學(xué)實驗柜，均利用了空間中的微重力環(huán)境，通過創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)科學(xué)實驗所需的條件。科學(xué)實驗柜的總體任務(wù)由中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心組織承擔(dān)。

無容器實驗柜：純凈“液滴”不是夢

“無容器”狀態(tài)是材料科學(xué)家夢寐以求的一種實驗條件。一幅直觀形象的畫面有利于理解它：熔融的金屬或者非金屬材料成為液滴，飄浮在空中。這時，“液滴”不會和容器壁接觸而受到污染，“純凈”材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態(tài)。

中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心無容器材料實驗柜主任設(shè)計師張立憲介紹，“無容器”環(huán)境下，科學(xué)家有望實現(xiàn)對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等。

據(jù)了解，地面上讓“液滴”飄起來實現(xiàn)“無容器”，需要利用某種外力抵消“液滴”本身的重力，包括利用氣浮力的氣懸浮、聲輻射壓力的聲懸浮、靜電場庫侖力的靜電懸浮、電磁力的電磁懸浮等。“空間實現(xiàn)‘無容器’則難在浮得住、控得穩(wěn)，就是能將樣品穩(wěn)定、精確地懸浮在實驗位置，以獲得穩(wěn)定的樣品狀態(tài)。”張立憲介紹。

為此，來自中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員基于靜電懸浮技術(shù)，為“天和”核心艙開發(fā)了一套全新的無容器材料實驗柜。

張立憲表示，實際運行中，一個樣品盒可以容納29個樣品。一次實驗有以下幾個步驟：完成真空或者氬氣加壓的實驗環(huán)境準(zhǔn)備;樣品盒釋放樣品;位控系統(tǒng)捕獲釋放樣品，對樣品進行懸浮位置控制;激光器加熱熔化樣品，高熔點樣品溫度可以達到3000攝氏度以上;開展熱物性參數(shù)測量;冷凝固樣品;位置控制將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前后推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內(nèi)的樣品存儲位置。

“整個過程中不需要航天員進行直接操作，而是主要通過注入指令執(zhí)行，地面工作人員可以實時監(jiān)控實驗開展。”張立憲介紹。

將來，航天員入駐后，將在無容器實驗柜上進行方便的“傻瓜式”操作，即取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒。

高微重力實驗柜：雙層“隔振”挑戰(zhàn)極限

2013年，神舟十號飛船內(nèi)，航天員向公眾直播了微重力狀態(tài)下的“真人秀”。指令長聶海勝盤起腿，玩起了“懸空打坐”。王亞平用手指輕輕一推，聶海勝搖搖晃晃向遠處飄去。

對于科學(xué)實驗而言，太空中的微重力環(huán)境能夠提供地面上難以得到的極限條件，有望獲得新發(fā)現(xiàn)。但像“天和”核心艙這樣在軌道上運行的航天器，其微重力狀態(tài)源于航天器受到的合力和航天器繞地球軌道飛行的向心力相等。

“這并不是一種絕對意義上的微重力。”中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心高微重力科學(xué)實驗柜主任設(shè)計師李宗峰介紹，“實際上，在軌運行的航天器不僅會受到地球的引力，也會受到太陽光壓、大氣阻力等多種攝動力的影響。航天器受到的合力不可能與軌道運動所需的向心力完美相等。”

因此，兩者之間的差異意味著航天器上存在不同程度的“微重力水平”。一般而言，空間站的微重力水平大約在10-3g至10-5g。而在為“天和”核心艙研制的高微重力科學(xué)實驗柜研制中，來自中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員將微重力水平提升了至少兩個數(shù)量級，達到10-7g水平。他們怎么做到的?

“對于10-7g這種量級的高微重力水平，很多平常不起眼的因素都會造成破壞性影響。這些影響因素包括空間站整體環(huán)境、空間站艙內(nèi)氣流以及實驗載荷本身的力學(xué)性質(zhì)等。”李宗峰解釋道。而消除這些影響因素的策略則可以被總結(jié)為“隔振”二字。

為此，研究人員設(shè)計了雙層實驗系統(tǒng)，還讓它們分別“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動，完成微重力水平的極限挑戰(zhàn)。這一系統(tǒng)由外體和內(nèi)體組成，科學(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，外體隔離外部的各種擾動力。

其核心工作模式有兩種。第一種為“柜內(nèi)磁懸浮控制模式”，也被稱為“單層主動隔振模式”。工作狀態(tài)下，外體固定在實驗柜中，內(nèi)體通過主動隔振控制實現(xiàn)10-6g的微重力水平。“這一模式已在天舟一號上得到了驗證。”李宗峰說。第二種為“柜外跟隨控制模式”。工作狀態(tài)下，內(nèi)外體實驗系統(tǒng)整體在核心艙的空間內(nèi)飛行，內(nèi)體不受控制力，外體用精心設(shè)計的控制回路對內(nèi)體進行姿態(tài)、軌道跟隨。這時，由于內(nèi)體不受引力以外的力，就能夠?qū)崿F(xiàn)10-7g的高微重力水平。

據(jù)了解，這是國際上首次在空間站艙內(nèi)采用雙層懸浮的模式實現(xiàn)內(nèi)體的高微重力水平，有望為高精度的科學(xué)實驗提供更好的微重力環(huán)境。

李宗峰表示，目前計劃開展基于冷原子干涉儀的“等效原理”檢驗技術(shù)試驗，以期為甄別眾多引力理論、尋找新物理提供證據(jù)。