方寸之間，承托繽紛實(shí)驗(yàn)——揭秘“天宮”空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

出品：科普中國(guó)

作者：中國(guó)科普博覽

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

隨著2022年11月3日“天宮”空間站主體建設(shè)工作的圓滿(mǎn)完成，這座國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室已正式步入長(zhǎng)達(dá)十年甚至更久的運(yùn)營(yíng)階段。在這片浩瀚的太空中，“天宮”將承擔(dān)起前所未有的重任——開(kāi)展各類(lèi)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，涵蓋空間生命科學(xué)、微重力物理、空間天文等諸多學(xué)科領(lǐng)域。

想象一下，在“天宮”空間站那僅100多立方米的空間內(nèi)，將要進(jìn)行上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這無(wú)疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。為了高效利用有限的空間資源，并便于統(tǒng)一管理、維護(hù)和調(diào)度，科學(xué)家們巧妙地設(shè)計(jì)了“科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜”，將不同領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別集成到一個(gè)個(gè)看似普通的實(shí)驗(yàn)柜中。

生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用中心）

這些實(shí)驗(yàn)柜，雖然外形簡(jiǎn)約統(tǒng)一，卻蘊(yùn)含著巨大的科技力量。它們的高度約為1.7米，寬度1.1米，內(nèi)部深度0.9米，尺寸適中，既能夠充分利用空間站的內(nèi)部空間，又方便航天員進(jìn)行操作。得益于空間站4.2米的大直徑設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)柜不僅可以靈活安裝在空間站的各個(gè)方向，還能為航天員留出寬敞的操作空間，確保他們?cè)谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)相互干涉。

實(shí)驗(yàn)柜的主體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，能夠承載高達(dá)400公斤的科學(xué)載荷。這一設(shè)計(jì)不僅為科學(xué)家提供了更多的重量限制，使他們能夠攜帶更多的科研設(shè)備進(jìn)入太空進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還顯著提升了實(shí)驗(yàn)柜的載荷效率。與國(guó)際同類(lèi)水平相比，“天宮”空間站的實(shí)驗(yàn)柜在重量和包絡(luò)尺寸上實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的比例（1:4），相當(dāng)于用更小的重量和尺寸，支持了更多的科學(xué)載荷和實(shí)驗(yàn)。

除了主體結(jié)構(gòu)外，實(shí)驗(yàn)柜還配備了統(tǒng)一的基礎(chǔ)能源支持系統(tǒng)。這一系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)柜的下方部署了實(shí)驗(yàn)柜控制器和熱控抽屜。實(shí)驗(yàn)柜控制器通過(guò)數(shù)字化的配電技術(shù)，能夠滿(mǎn)足14個(gè)不同實(shí)驗(yàn)柜的各種用電需求。同時(shí)，它還提供了通信功能，支持光纖、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸方式，使得科學(xué)家即使身處地球，也能實(shí)時(shí)觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)柜內(nèi)部的高清圖像，并接收到來(lái)自太空的海量科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

熱控抽屜則是整個(gè)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。由于實(shí)驗(yàn)柜在軌運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如何有效散熱成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。熱控抽屜就像一個(gè)“中央空調(diào)”，通過(guò)快速斷接器將乙二醇這種冷的工質(zhì)傳遞到需要散熱的載荷單元中，再通過(guò)冷板和換熱設(shè)施將熱量從載荷中帶走，并通過(guò)整個(gè)柜子傳到外面去。這樣一來(lái)，實(shí)驗(yàn)柜內(nèi)的設(shè)備載荷就能保持在一個(gè)較低的溫度水平，從而確保實(shí)驗(yàn)的高可靠性和長(zhǎng)壽命。

重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜系統(tǒng)組成圖

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

“天宮”空間站內(nèi)共有14個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，每個(gè)實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室，裝有大小各異的實(shí)驗(yàn)裝置。這些實(shí)驗(yàn)裝置同樣采用了集成化與模塊化設(shè)計(jì)，可通過(guò)更換實(shí)驗(yàn)樣品或?qū)嶒?yàn)單元來(lái)支持多個(gè)科學(xué)研究項(xiàng)目的滾動(dòng)實(shí)施。其中既有像“變重力實(shí)驗(yàn)柜”這樣的大型裝置，其內(nèi)部是一對(duì)直徑約一米的離心機(jī)；也有小到只有一個(gè)抽屜大小的實(shí)驗(yàn)裝置。它們共同構(gòu)成了“天宮”空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，為人類(lèi)擴(kuò)展對(duì)太空的認(rèn)知作出了獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

科學(xué)家們希望通過(guò)在軌的研究，改變地面在材料科學(xué)、生命科學(xué)、制藥工藝等方面的技術(shù)水平。這些改變不僅將推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展，還將為人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和福祉帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

“天宮”空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是太空科技探索的重要工具之一。它們不僅展示了中國(guó)在航天科技領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力和創(chuàng)新能力，還為全人類(lèi)的太空探索和科學(xué)研究提供了寶貴的平臺(tái)和資源。隨著“天宮”空間站的深入運(yùn)營(yíng)和更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，我們期待著它能夠帶來(lái)更多令人驚嘆的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)突破。