中国空间站上的太空实验室

　　瞄准建成国家级太空实验室的科学目标，中国空间站正在稳步推进在轨建设工作。
　　空间站所处的轨道有着不同于地面的长时间微重力、强辐射环境，以及极端温度、高真空等极端条件，相比无人探测器还具有航天员参与实验操作、实验设备可维护升级、实验样品可返回、在轨运行时间长等优势。我国的＂天宫＂空间站目前虽然只有＂天和＂核心舱在轨，但在核心舱携带的两个科学实验柜中已经开展了科学实验。
　　那么，空间环境到底有什么不可替代的价值呢？
　　 1.空间环境特点
　　＂天宫＂所处空间环境最显著的特征在于，所有实验都处在微重力环境之中。在微重力的条件下，一方面，地面重力效应导致的流体中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失，地面重力效应所掩盖的一些次级效应凸显。流体形态和理化过程等发生显著变化，将影响流动和燃烧机制，相关材料加工及制备过程。另一方面，由于一些基础物理的实验条件不再受到重力影响，能够以更高的指标和精度开展实验，可以对重要的基础物理理论进行验证。同时，各种生物包括人类的生存和进化一直是在重力环境下实现的，微重力环境对生物体及其各层次的影响也会十分显著。
　　失重状态下转身的叶光富|来源@央视新闻
　　第二大特征：空间站的轨道脱离了浓密的地球大气层，处于电离层F2层，适于开展巡天类空间天文观测和特定空间物理研究。同时，对地球观测而言，空间站轨道覆盖南北纬42度以内、地球人口居住90％的区域，与一般地球遥感卫星采用的太阳同步轨道相比，空间站轨道的降交点地方时在不断变化，也可实现对同一地区可变光照条件下的长期观测。
　　第三大特征：空间站所在轨道的辐射环境不同于地面，宇宙射线复杂的成份和能谱形式是地面无法模拟的。因此空间站具备开展辐射生物学等研究的有利条件，同时也是开展高能天文观测和粒子天体物理研究的必要条件。
　　＂天宫＂空间环境的第四大特征为极端条件，包括极热和极冷循环、高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。暴露于这些极端条件下的空间应用材料、电子器件，生物体及组织的性能将受到外太空环境的显著影响。这些特殊环境（及其复合环境）在地面模拟起来成本较高，因此成为开展相应的针对性研究的独特资源。
　　 　2.空间站上的科学实验装置
　　空间站上的每个实验柜都是一个专业学科或研究领域的实验研究平台，满足不同学科、不同领域空间科学实（试）验开展的需求。目前规划的设施包括至少12个实验柜和4个共用支持实验柜，将在其中开展的技术试验和科学实验似乎眼花缭乱，其实总结起来可以为三类：研究宇宙的，研究人在太空的，以及研究人在太空飞得更远相关技术的。
　　第一类多为立足科学前沿的创新性实验和应用研究，要为人类进一步认识宇宙、提高地球生活水平做出贡献。
　　第二类为近地轨道长期载人航天飞行的主要医学问题研究，包括长期失重和空间辐射对航天员健康影响与防护、先进在轨监测与医学处置技术等，以解决人在太空中长期生存的基本问题。
　　第三类为未来载人航天器新技术验证，比如充气式居住舱、空间机器人、太空增材制造、原位资源利用等等。
　　这些研究的共同指向在于，通过人在近地轨道上的飞行与探索实践为载人航天的持续发展和未来深空载人飞行打下基础。
　　目前在＂天和＂核心舱上已经投入使用的，有空间材料科学方向的＂无容器科学实验柜＂和共用支持的＂高微重力科学实验柜＂。
　　无容器实验柜|来源@中国空间站科学实验资源手册
　　＂无容器＂状态，是材料科学家梦寐以求的一种实验条件。熔融的材料成为一个液滴，通过静电漂浮在空中，＂液滴＂不会因为和容器壁接触而受到污染，＂纯净＂的材料则能够在较低温度下仍保持液体状态。＂无容器＂环境下，有望实现对＂深过冷凝固过程与机理＂研究、新型功能材料制备研究等。
　　无容器实验柜集中布局了科学实验腔以及半导体激光器、CO2激光器、脉冲激光器、单波长测温仪、全景相机、高速相机等多种观察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量，让样品＂浮得住，控得稳＂。同时，实验柜采用批量样品盒，一个样品盒能容纳多个样品进行试验。
　　高微重力科学实验柜|来源@中国空间站科学实验资源手册
　　所谓＂高微重力＂就是更高水平的微重力，高微重力科学实验柜能提供的微重力环境比空间站本体还高2~3个数量级，即10-5m/s2~10-4m/s2。
　　高微重力科学实验柜通过电磁悬浮和喷气悬浮隔离技术，抑制空间站舱体和实验柜体等多种类型振动的干扰，在0.01Hz到300Hz的振动频率内提供较高水平的隔振能力，满足特殊科学实验对高微重力水平的要求。
　　高微重力实验柜后续既可以用于相对论物理实验和引力物理实验——包括2022年将开展的国际上首次原子层面的相对论弱等效原理检验，也可以用于医学样本的分析。
　　 3.太空实验的未来
　　作为中国空间站工程的重要目标之一，＂天宫＂将发展具有国际先进水平的空间科学与应用能力，开展多领域空间科学实验和技术试验、空间应用以及科普教育，获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果，并开展国际（区域）合作，为人类和平开发和利用空间资源做出积极贡献。
　　壮丽的空间科学画卷刚刚展开。随着＂问天＂实验舱和＂梦天＂实验舱2022年内发射入轨，建成后的中国空间站必将在航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、航天元器件与部件、航天新技术、空间应用新技术等多个领域产生一批有着巨大影响力的科研成果，为人类命运共同体和更加美好的未来添砖加瓦。
　　让我们共同期待吧！
　　 科学性审核： 杨宇光 中国航天科普大使，国际宇航联空间运输委员会副主席
　　 参考文献：
　　[1]王翔，王为.天宫空间站关键技术特点综述[J].中国科学:技术科学，2021，51(11):12.
　　[2]靳召君，刘迎春.参与空间科学与应用操作的航天员职责[J].载人航天，2012，18(5):9.
　　[3]《国货之光，强出天际》，中国载人航天公众号，2021.7.27
　　[4]中国空间站科学实验资源手册，中国载人航天工程办公室，2019.4