“就在我頭頂。”2023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，神舟十六號航天員桂海潮指著超冷原子物理實驗柜說，“它可以實現(xiàn)地面無法實現(xiàn)的溫度，并制備出接近絕對零度的超低溫物質(zhì)，這種物質(zhì)的原子會呈現(xiàn)特殊的狀態(tài)，用于更好地探索量子力學(xué)的奇異世界。”

在中國航天員于正式運行的國家太空實驗室給孩子們講課的同時，中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心（以下簡稱“空間應(yīng)用中心”）研究員張璐正在電視臺“天宮課堂”的直播現(xiàn)場，給孩子們深入講解國家太空實驗室里的高科技。

張璐等來自中國科學(xué)院的科學(xué)家屬于最了解太空實驗的一群人，他們?yōu)閲姨諏嶒炇业恼Q生提供了強有力的科技支撐。

屏幕前，全國各地的孩子看著直播畫面，聽著科學(xué)家的講解，眼里滿是期待與驚喜。

中國空間站國家太空實驗室。

把實驗室搬進(jìn)太空

國家太空實驗室是依托中國空間站建立的國家級太空研究平臺。回溯中國空間站建設(shè)的歷史可以發(fā)現(xiàn)，建立國家太空實驗室是中國早在30多年前就已明確的目標(biāo)。

1992年，我國批準(zhǔn)實施載人航天工程，明確“三步走”戰(zhàn)略——

第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗；

第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；

第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

“造船為建站，建站為應(yīng)用”，這是我國載人航天工程建設(shè)發(fā)展的初衷。而“太空實驗”是“應(yīng)用”的重中之重，也是“三步走”戰(zhàn)略實施過程中一直努力的方向。

在1992年中國載人航天工程確立之初，國家就把載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用的重任交給了中國科學(xué)院，由這支科技“國家隊”負(fù)責(zé)相關(guān)任務(wù)的論證、立項與實施。

在載人飛船階段，中國科學(xué)院組織開展了當(dāng)時規(guī)模最大、領(lǐng)域最廣的空間科學(xué)與應(yīng)用計劃，28項空間科學(xué)實驗均為國內(nèi)首次開展，在我國空間生命、材料等基礎(chǔ)研究方面起到了開創(chuàng)奠基作用。

在空間實驗室階段，中國科學(xué)院組織開展了50余項科學(xué)實驗與技術(shù)試驗。其中，我國研制的世界首臺空間冷原子鐘達(dá)到10-16秒量級的超高精度，伽馬暴偏振儀等項目也取得了國際領(lǐng)先的研究成果。

2021年，中國空間站迎來建設(shè)元年。這年4月29日，天和核心艙被長征五號B運載火箭送入太空，中國空間站在軌組裝建造由此開啟。中國科學(xué)院組織全國相關(guān)科技人員，在空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用四大領(lǐng)域，規(guī)劃布局了覆蓋面廣泛的研究項目，研制了一批具有國際一流水平的科學(xué)實驗機柜和艙外設(shè)施。

作為中國空間站實驗規(guī)劃和實驗柜研制的參與者，來自空間應(yīng)用中心的科研人員常被問到“為什么要把實驗室搬進(jìn)太空”。

每次遇到這個問題，載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)總指揮助理、空間應(yīng)用中心研究員張偉都會認(rèn)真作答：“我們要探尋‘我們是誰’‘我們從哪里來’，了解生命、宇宙的起源與演化；我們也要回答‘我們到哪里去’，如果地球未來不適合人類生存了，我們就需要找一個地外的生存空間。此外，我們還可以讓太空資源為人類所用。”

在他和同事看來，前往太空、探索太空，既是人類好奇心的驅(qū)使，也是人類發(fā)展的終極需求，而空間站為人類邁向宇宙奠定了基礎(chǔ)，是人類開展太空探索、開發(fā)太空資源的前哨平臺。

“太空實驗室能夠為我們提供很好的研究條件，比如長期的微重力、輻射條件，讓我們可以研究這種環(huán)境下新的生命科學(xué)、物理科學(xué)現(xiàn)象，研究產(chǎn)生這些現(xiàn)象的機理，掌握未來人類長期在太空生存需要采取的措施?！睆垈フf。

向著明確的目標(biāo)、帶著美好的期待，2022年中國空間站迎來了忙碌的一年。2022年7月25日，問天實驗艙與天和核心艙成功對接；2022年11月1日，夢天實驗艙成功對接；2022年11月3日，夢天實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。

建成后的中國空間站成為一座國家太空實驗室，也成為中國航天史上規(guī)模最大、長期有人照料的空間實驗平臺。其中，天和核心艙主要面向航天醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗；問天實驗艙主要面向空間生命科學(xué)研究；夢天實驗艙主要面向微重力科學(xué)研究。

“方寸”之間顯身手

當(dāng)2023年8月18日中國國家太空實驗室宣布正式啟用時，張璐、張偉心里說不出的激動?！鞍褜嶒炇野徇M(jìn)太空”，是無數(shù)科研人員經(jīng)過無數(shù)次嘗試和努力的結(jié)果。

中國空間站三艙部署的實驗機柜與一系列艙外設(shè)施，可開展上千項科學(xué)實驗。其中，生命生態(tài)實驗柜、流體物理實驗柜、無容器材料實驗柜、高精度時頻實驗柜、高微重力科學(xué)實驗柜等14個科學(xué)實驗柜均由中國科學(xué)院牽頭完成。

空間站科學(xué)實驗柜及其分布情況。

這14個實驗柜有共同的研制難點。

難點之一是“小”，研制實驗柜相當(dāng)于把在地面上一整間屋子里的實驗裝置，塞進(jìn)不到兩立方米的柜子里；難點之二是實驗柜要既輕便又牢固，用最小的重量搭載最多的科學(xué)載荷，以便未來能夠承載更多的科學(xué)研究；難點之三是要有科學(xué)前瞻性，能滿足后續(xù)十年的科學(xué)實驗需求。

每一個科學(xué)實驗柜都相當(dāng)于一個綜合性實驗室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米?！凹夹g(shù)創(chuàng)新是唯一的辦法?！睆堣凑f。

科研團(tuán)隊針對實驗柜進(jìn)行了幾百次仿真和力學(xué)試驗驗證；他們在柜體上進(jìn)行了大量的減重優(yōu)化設(shè)計，又對局部進(jìn)行加固處理，滿足發(fā)射需求。通過多輪次“材料優(yōu)選、輕量化設(shè)計、仿真分析、力學(xué)試驗驗證”的迭代，實驗柜在柜體主結(jié)構(gòu)不到100公斤的情況下，承重能力達(dá)到500公斤，比國際空間站實驗柜高出兩倍以上。

此外，在科學(xué)研究規(guī)模越來越大、科學(xué)設(shè)施越來越復(fù)雜，以及學(xué)科之間不斷交叉融合的當(dāng)下，科學(xué)家和工程師的合作越來越重要。早在2011年，中國科學(xué)院就開始征集空間科學(xué)實驗項目建議，從而最大限度地確保實驗項目的前沿性和前瞻性。“當(dāng)時有500多個項目建議，我們從項目建議中提煉出需求，再歸納總結(jié)形成實驗裝置的設(shè)計方案?！睆垈ジ锌翱茖W(xué)家就像大腦，需要醞釀出一個科學(xué)想法；工程師就像雙手，把科學(xué)想法變成現(xiàn)實?！保ㄓ浾吣咚紳?高雅麗）

（未完待續(xù)）

責(zé)任編輯：魏敏