挑战低温极限、在太空“玩火”，梦天舱将开展约40项在轨实验，还带了一个超酷的维修车间
文汇报2022-10-31 15:57
北京时间2022年10月31日15时37分，长征五号B遥四运载火箭搭载空间站梦天实验舱，在我国文昌航天发射场准时点火发射，约8分钟后，梦天实验舱与火箭成功分离并准确进入预定轨道。这意味着我国空间站建设进入收官阶段。
起飞重量约23吨的梦天实验舱是中国空间站的第三个舱段，也是第二个科学实验舱。建成后的天宫空间站将是我国未来十年规模最大的空间综合性研究实验平台，梦天实验舱则将与已经在轨的问天实验舱一起，共同成为这个高水平国家太空实验室的科学“台柱”。
中国首个微重力超冷原子物理实验平台、我国空间站首个“太空维修装配车间”、相比国际空间站“一个顶仨”的流体实验柜……梦天实验舱搭载的8个实验柜各具神通，涉及量子、空间材料、微重力流体力学、燃烧科学等7个领域，目前已规划安排约40项科学实验项目，将根据实验规划持续开展在轨实验。
挑战低温极限，让量子现象“肉眼可见”
世界上最低的温度是绝对零度。梦天舱中的超冷原子物理实验柜，有望制备出仅比绝对零度高千亿分之一度的超低温量子气体，从而观测到肉眼可见的宏观量子现象。
“这是我国首个微重力超冷原子物理实验平台，其技术水平世界领先。”超冷原子物理实验柜科学实验系统副主任设计师、中科院上海光机所副研究员汪斌介绍，在空间站，地球重力的影响大大减小，原子变得更“懒”，因此可能挑战地面上无法实现的“超低温”。
在如此极端超低温下，原子之间相互作用时间可增加1000倍以上。汪斌说，这就提供了一个独特窗口，让科学家可以从一个全新视角来直接观测独特的原子行为，“以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界”。
超冷原子物理实验柜将为超冷原子物理研究提供一个长期在轨稳定运行的实验系统，将开展高温超导机理、拓扑相变、量子精密测量等重大物理问题研究——超越地面限制，这里有望获得重大的基础科学突破。
将建世界领先的“在轨空间时频系统”
“时频实验系统是此次任务中唯一的一对“双胞胎”，三台原子钟及配套载荷分别装在时频柜I和时频柜II以及舱外。”中科院国家授时中心主任、高精度时频实验柜科学实验系统总指挥、责任科学家张首刚说，这次随梦天舱升空的共有主动氢原子钟、冷原子微波钟、冷原子锶光钟三台高性能原子钟，“高精度时频实验柜共包含11个子系统，可能是天宫里最复杂的实验柜之一”。
▲高精度时频实验柜Ⅰ
▲高精度时频实验柜Ⅱ
高精度时频实验柜肩负着不一般的任务：为我国天地立体交叉授时体系，提供工程验证与技术支撑。“天宫二号的冷原子钟就是为它们‘探路’的，这次通过舱内不同特性的原子钟组合，将建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。”中科院上海技术物理研究所副所长、高精度时频实验柜科学实验系统副总指挥舒嵘介绍，该系统产生的高精度时频信号，通过舱外的相关载荷，向地面一定范围传递高精度的时频信号。
据悉，实验柜的高精度时频信号将用于相关基础物理研究实验，如引力红移的测量，精细结构常数变化的探测等，支撑相对论及相关理论的高精度检验。也可以为地面一些重大科技基础设施提供高精度时间同步信号，提升它们的性能。
空间站“燃”起来：有望突破基础科学问题
在空间站“玩火”是不是很危险？但在科学家看来，在微重力环境下研究燃烧，将是突破很多基础科学问题的绝佳机会，对于空天动力燃烧、航天器防火灭火、燃烧污染物控制等技术的深入探究至关重要。
这次，梦天舱搭载的燃烧科学实验柜就是一款“玩火”神器。航天员只需打开阀门放置材料，其他步骤设备都能自动完成。围绕燃烧场，实验柜配置了“十八般武器”来全方位无死角观测燃烧过程：除了高速摄像外，各路仪器将测量火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息。
燃烧科学实验柜科学实验系统主任设计师、中科院工程热物理研究所研究员郑会龙介绍，实验系统还搭载了一套PIV（粒子图像测速技术）设备，将在国际上首次利用该技术在空间站环境中开展燃烧速度场测量。“在柜子里‘玩火’很安全，首先当然因为燃烧腔室密封性很好，其次因为这里的最大燃烧量限制在100瓦——仅相当于点燃三根蜡烛。”
此外，梦天舱中搭载的高温材料科学实验柜最高加热温度可达1600℃，可同时自动化处理16支样品，还将实现在空间站上进行X射线透射成像的“国际首次”；流体物理实验柜则实现了“一柜多能”，其综合测试手段和能力可超越国际空间站上三个已有的专用流体实验柜的总和，将成为国际上技术最完备、设备最先进的空间流体物理实验平台；两相系统实验柜则是国际首个专门用于开展空间相变界面流动、蒸发与冷凝、沸腾和热管传热、空间在轨流体管理的科学研究和技术验证的整柜级实验平台。
首个“太空维修装配车间”配备AR眼镜导引
梦天舱这次还带了一个“太空维修装配车间”上天——在线维修装调操作柜。具有强大的多功能操作箱，利用这个实验柜，航天员未来可以进行重要航天器件的维修、设备装配等任务。
这个我国的“最高车间”拥有超过360升的有效操作体积，并配备了一套七个自由度的灵巧机械手，其操作精度可达到0.1毫米。而且，操作柜还配有一套基于增强现实技术（AR）的智能诱导维修系统。航天员如需维修操作一些复杂的设备，可以直接戴上AR眼镜，各种操作说明、引导步骤，就会叠加出现在真实的待操作物品上……如此清晰、直观而轻松的操作，会否让这里的成为维修工岗位的“天花板”？
“我们还额外设计了一个可以展开的移动维修平台，就折叠在箱子下方，需要时候可以抽出、展开，再固定在柜子的任意高度上。”在线维修装调实验柜主任设计师、中科院空间应用中心张璐介绍，这个操作柜可以在航天员的辅助下完成在轨精细操作，完成空间应用系统载荷模块单元的组装、测试、以及部分模块的更换、深度维护维修，为科学实验系统技术指标的在轨提升做支撑。
作者：许琦敏
图片：中科院空间应用中心提供
责任编辑：任荃
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