實(shí)驗(yàn)艙里“點(diǎn)火”燒開水打造空間技術(shù)研究“夢工場”

夢天實(shí)驗(yàn)艙在軌示意圖。圖片｜北京日報

在空間站的三個艙段中，夢天實(shí)驗(yàn)艙主要承擔(dān)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。中國科學(xué)院聯(lián)合優(yōu)勢力量協(xié)同攻關(guān)，研制了超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、高精度時頻實(shí)驗(yàn)柜、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、在線維修裝調(diào)實(shí)驗(yàn)柜等7個方面的8個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

利用這些實(shí)驗(yàn)柜，重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究將在太空開展。目前在上述方向已規(guī)劃安排了約40項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中包含部分國際合作研究，預(yù)期能在上述領(lǐng)域做出具有國際水平的科學(xué)研究成果。

早在2016年，一臺精度高達(dá)3000萬年誤差1秒的冷原子微波鐘，就曾隨天宮二號遨游太空。現(xiàn)在，比它還準(zhǔn)的冷原子鍶光鐘作為高精度時頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心組成部分，跟隨夢天實(shí)驗(yàn)艙首次進(jìn)入太空，將實(shí)現(xiàn)30億年誤差1秒的精度。

高精度時頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是中科院本次上行的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中唯一一對“雙胞胎”?！翱梢哉f它是本批實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、研制難度最大的?！备呔葧r頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制任務(wù)總指揮、責(zé)任科學(xué)家張首剛介紹，該系統(tǒng)包含了主動氫原子鐘、冷原子微波鐘、冷原子鍶光鐘等13臺單機(jī)，分別安裝在艙內(nèi)和艙外，其中艙內(nèi)分為時頻柜Ⅰ、時頻柜Ⅱ。

在太空產(chǎn)生高精度時間有何用？張首剛說，空間站提供的超高精度時間頻率信號，將用于相關(guān)基礎(chǔ)物理研究實(shí)驗(yàn)，如引力紅移的測量、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化的探測等，支撐相對論及相關(guān)理論的高精度檢驗(yàn)。也可以為地面一些重大科技基礎(chǔ)設(shè)施提供高精度時間同步信號，提升其性能。

夢天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入海南文昌航天發(fā)射場。圖片｜中國載人航天官網(wǎng)

此外，在線維修裝調(diào)操作柜也是精密操作的代表，該柜主任設(shè)計師張璐將它比作“太空維修工廠”。箱體內(nèi)配備的一套7自由度的靈巧機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)精度達(dá)0.1毫米的操作。它配備的智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)將為航天員減負(fù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡會提供清晰直觀的操作維修指引，無需再翻閱厚厚的操作手冊。

人工創(chuàng)造的極端條件，對科學(xué)研究來說極為寶貴。在夢天實(shí)驗(yàn)艙中，科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜能在太空創(chuàng)造出低至接近“絕對零度”，高至1600攝氏度的實(shí)驗(yàn)條件。

“超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜可以帶領(lǐng)我們以地面上不可能的方式進(jìn)入量子力學(xué)的奇異世界?！背湓游锢韺?shí)驗(yàn)柜副主任設(shè)計師汪斌說，該柜是我國首個微重力條件下運(yùn)行的超冷原子物理實(shí)驗(yàn)平臺。利用空間站優(yōu)越的微重力條件和一系列新方法新技術(shù)，有望制備出距“絕對零度”以上僅千億分之一攝氏度范圍內(nèi)的超低溫量子氣體，將能觀測到肉眼可見的宏觀量子現(xiàn)象。在微重力條件下，基于超冷原子物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展的重大物理問題研究，有望超越地面的限制獲得重大基礎(chǔ)科學(xué)突破，為基本物理定律提供更高精度的檢驗(yàn)。

高溫材料實(shí)驗(yàn)柜則恰好與之相反，它的最高加熱溫度可達(dá)1600攝氏度，且能長時間保持穩(wěn)定，波動不超過正負(fù)0.25攝氏度。通過X射線成像，科學(xué)家可以實(shí)時觀察各種材料在微重力的高溫環(huán)境下熔化、凝固的過程。該柜還可以提供旋轉(zhuǎn)磁場、主動冷卻、加速度測量等附加功能和操作。

微重力環(huán)境有望制備出地面環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)均勻、無缺陷的高質(zhì)量材料，進(jìn)而開發(fā)出新型、顛覆性的材料。高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計師劉學(xué)超透露，該柜首批將一次性自動化批量開展16個樣品的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要包括高溫合金材料、功能晶體材料和化合物半導(dǎo)體材料。未來，新型半導(dǎo)體材料、生物納米材料、能源材料、先進(jìn)陶瓷及復(fù)合材料等新型材料都有機(jī)會開展在軌研究。

如果在太空點(diǎn)燃一簇火苗，其形狀將出乎你的意料——它呈現(xiàn)出一團(tuán)圓圓的“火球”。燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的主要任務(wù)，便是在太空“點(diǎn)火”，開展微重力燃燒基礎(chǔ)科學(xué)研究。

“大家可能會有疑問，在空間站做燃燒實(shí)驗(yàn)會不會很危險？這完全不用擔(dān)心，我們的燃燒室密封非常好，不會影響空間站運(yùn)行?！比紵茖W(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計師鄭會龍解釋，在軌燃燒實(shí)驗(yàn)的最大燃燒量僅100瓦，大約相當(dāng)于點(diǎn)燃3根蠟燭。

氣體供給、點(diǎn)火燃燒、圖像拍攝、廢氣排放等燃燒實(shí)驗(yàn)可在燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜中全自動進(jìn)行，火焰形貌、結(jié)構(gòu)、溫度、速度、產(chǎn)物組分等信息可被清晰捕捉測量。相關(guān)數(shù)據(jù)將助力燃燒基礎(chǔ)科學(xué)問題、空天推進(jìn)、燃燒材料合成、航天器防火滅火等基礎(chǔ)及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

如果在太空點(diǎn)燃一簇火苗，其形狀將出乎你的意料——它呈現(xiàn)出一團(tuán)圓圓的“火球”。燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的主要任務(wù)，便是在太空“點(diǎn)火”，開展微重力燃燒基礎(chǔ)科學(xué)研究。

幾次太空授課中，“太空教師”的主要道具都是流體，其背后隱含的則是大量微重力流體的基本知識。在失重情況下流體運(yùn)動受什么控制？流體物理實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計師、責(zé)任科學(xué)家康琦以燒開水來打比方。熱對流的典型應(yīng)用之一便是燒開水，但在微重力環(huán)境下，熱對流機(jī)制會發(fā)生極大變化，浮力作用幾乎消失，溫差引起的表面張力變化在流體形成對流的過程中將成為主導(dǎo)因素。

微重力環(huán)境為流體創(chuàng)造了近乎理想的各向同性研究條件，流體運(yùn)動表現(xiàn)出的許多新規(guī)律、新機(jī)制，都要通過太空實(shí)驗(yàn)研究來重新認(rèn)識。流體物理實(shí)驗(yàn)柜能直接全面觀測流體的速度場、溫度場、濃度場、表面變形等，以及流變和自組織特性。

兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜則瞄準(zhǔn)了蒸發(fā)與冷凝、沸騰和熱管傳熱、空間在軌流體管理等科學(xué)研究與技術(shù)驗(yàn)證。隨柜發(fā)射的首發(fā)科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K將進(jìn)行空間蒸發(fā)對流與相變傳熱強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究，其集成了3組封閉式蒸發(fā)液池和9種不同表面材料蒸發(fā)臺，計劃在軌完成600次不同工況的液滴和液層蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。

中國空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙在文昌航天發(fā)射場整艙吊裝。圖片｜新華社

在我國空間站上，問天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙是航天員出艙的主要通道，而夢天實(shí)驗(yàn)艙的貨物氣閘艙則是貨物出艙專用通道。

過去，空間站只能由航天員進(jìn)行艙內(nèi)外貨物的轉(zhuǎn)移、安裝，這種方式受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與大小的限制，頻繁開展出艙活動也會帶來復(fù)雜的安全考驗(yàn)。貨物氣閘艙的應(yīng)用，將為空間站后續(xù)開展各類艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)大支持。

貨物氣閘艙采用“內(nèi)艙門+外艙門”雙門設(shè)計：通往工作艙的內(nèi)艙門，是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備；面向太空的外艙門是貨物的出艙口。為了保障航天員的在軌安全，內(nèi)外兩道艙門不會同時開啟。

夢天實(shí)驗(yàn)艙獨(dú)具的載荷自動進(jìn)出艙功能，能進(jìn)一步提高空間站進(jìn)行艙外載荷實(shí)（試）驗(yàn)的能力和效率。夢天實(shí)驗(yàn)艙艙內(nèi)配置了一臺載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，可以穩(wěn)定地將貨物從艙內(nèi)送出艙外，或?qū)⑴撏庳浳镞\(yùn)回艙內(nèi)。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)送能力達(dá)400公斤，單次運(yùn)送貨物包絡(luò)可達(dá)1.15米×1.2米×0.9米，相比航天員“人力帶貨”，運(yùn)貨能力大幅提升。

跟航天員進(jìn)出艙一樣，貨物進(jìn)出艙也需要經(jīng)過泄復(fù)壓過程，即出艙泄壓、進(jìn)艙復(fù)壓，讓艙內(nèi)外氣壓環(huán)境保持一致。因此對于氣閘艙來說，內(nèi)部空間越大，就意味著在泄復(fù)壓期間損耗的氣體越多。為此，貨物氣閘艙的外形尺寸根據(jù)出艙貨物的大小進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計，2.2米的直徑既能保障貨物有充足的空間進(jìn)行安全轉(zhuǎn)運(yùn)，又能減少氣體損耗，提高空間站的氣體利用率。

執(zhí)行貨物出艙任務(wù)時，航天員先開啟內(nèi)艙門，此時外艙門呈關(guān)閉狀態(tài)，工作艙與氣閘艙形成密閉的工作環(huán)境，負(fù)責(zé)搬運(yùn)貨物出艙的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸進(jìn)艙內(nèi)，航天員不用穿艙外航天服就可以開展載荷、貨物的安裝操作；隨后轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回至氣閘艙，航天員關(guān)閉內(nèi)艙門，由地面發(fā)出指令打開外艙門，實(shí)現(xiàn)貨物的順利出艙。

此外，為了滿足將來更大更重貨物的進(jìn)出艙需求，貨物氣閘艙上還裝有我國空間站首個電動弧形方艙門。艙門寬達(dá)1.2米，采用全自動滑移設(shè)計，可以為貨物進(jìn)出艙提供一條寬闊的走廊。

除了上述功能外，夢天實(shí)驗(yàn)艙還擁有一項(xiàng)特別“炫酷”的能力——在軌釋放微小飛行器。艙內(nèi)專門配置的釋放機(jī)構(gòu)能夠滿足百公斤級微小飛行器或者多個規(guī)格立方星的在軌釋放需求。

通常情況下，釋放機(jī)構(gòu)以組件形式收納在艙內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行釋放小衛(wèi)星任務(wù)時，航天員可以按照立方星的規(guī)格進(jìn)行在軌組裝。“包廂”單次最大載客量為36U（1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米）立方星或百公斤級微衛(wèi)星。立方星安裝完成后，“包廂”搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到艙外。

其中，微小衛(wèi)星通過卡槽固定在釋放機(jī)構(gòu)上，航天員可以通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行釋放卡槽，再由彈簧機(jī)構(gòu)將微小衛(wèi)星彈出。立方星初始放置在盒狀機(jī)構(gòu)中，通過控制閥門，打開鎖住立方星的控制門，然后由彈簧彈出立方星。在這一過程中，釋放機(jī)構(gòu)控制器通過精準(zhǔn)控制，打開傳送之門，將衛(wèi)星送到“千里之外”。

釋放時，航天員先在艙內(nèi)把微小衛(wèi)星裝入釋放機(jī)構(gòu)，釋放機(jī)構(gòu)搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將小衛(wèi)星運(yùn)至艙外，出艙后，機(jī)械臂抓取釋放機(jī)構(gòu)，對準(zhǔn)指定方向，釋放機(jī)構(gòu)再像彈弓一樣，把小衛(wèi)星彈射出去。

此外，夢天實(shí)驗(yàn)艙的載荷艙為空間站進(jìn)行艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)大的平臺支持。

載荷艙上配置2個展開式暴露平臺和1個固定式暴露平臺，全艙可提供24個標(biāo)準(zhǔn)載荷工位，能極大拓展空間站開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

隨著更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開展，空間站載荷供電需求成倍增加。為此，夢天實(shí)驗(yàn)艙配備了跟問天實(shí)驗(yàn)艙一樣的巨型柔性太陽翼。我國空間站基本構(gòu)型組裝完成后，兩個實(shí)驗(yàn)艙配置的4副太陽翼將打造最強(qiáng)勁的“能量源泉”，使空間站日發(fā)電量達(dá)到近千度，實(shí)現(xiàn)“用電自由”。

◎ 來源|綜合北京日報、科技日報