上圖為無容器材料實驗柜，下圖為高微重力科學實驗柜示意圖。中科院空間應用工程與技術中心供圖
高潔凈、高真空、微重力……太空具備有利于開展科學實驗的條件，一直讓科學家向往。但過去多次空間任務中，特定、明確的科學實驗需要的實驗裝置是“專人專用”的。這顯然不能滿足科學家的需要——他們想要滿足不同學科、不同領域的通用“太空實驗室”。
“太空實驗室”主要靠科學實驗柜實現，每個科學實驗柜都相當于一個專業學科或研究領域的實驗研究平臺。日前成功發射的“天和”核心艙安排上了！艙內配置了無容器實驗柜和高微重力實驗柜等兩個科學實驗柜，均利用了空間中的微重力環境，通過創新設計，實現科學實驗所需的條件。科學實驗柜的總體任務由中科院空間應用工程與技術中心組織承擔。
無容器實驗柜：純凈“液滴”不是夢
“無容器”狀態是材料科學家夢寐以求的一種實驗條件。一幅直觀形象的畫面有利于理解它：熔融的金屬或者非金屬材料成為液滴，飄浮在空中。這時，“液滴”不會和容器壁接觸而受到污染，“純凈”材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態。
中科院空間應用工程與技術中心無容器材料實驗柜主任設計師張立憲介紹，“無容器”環境下，科學家有望實現對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等。
據了解，地面上讓“液滴”飄起來實現“無容器”，需要利用某種外力抵消“液滴”本身的重力，包括利用氣浮力的氣懸浮、聲輻射壓力的聲懸浮、靜電場庫侖力的靜電懸浮、電磁力的電磁懸浮等。“空間實現‘無容器’則難在浮得住、控得穩，就是能將樣品穩定、精確地懸浮在實驗位置，以獲得穩定的樣品狀態。”張立憲介紹。
為此，來自中科院空間應用工程與技術中心的研究人員基于靜電懸浮技術，為“天和”核心艙開發了一套全新的無容器材料實驗柜。
張立憲表示，實際運行中，一個樣品盒可以容納29個樣品。一次實驗有以下幾個步驟：完成真空或者氬氣加壓的實驗環境準備；樣品盒釋放樣品；位控系統捕獲釋放樣品，對樣品進行懸浮位置控制；激光器加熱熔化樣品，高熔點樣品溫度可以達到3000攝氏度以上；開展熱物性參數測量；冷凝固樣品；位置控制將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前后推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內的樣品存儲位置。
“整個過程中不需要航天員進行直接操作，而是主要通過注入指令執行，地面工作人員可以實時監控實驗開展。”張立憲介紹。
將來，航天員入駐后，將在無容器實驗柜上進行方便的“傻瓜式”操作，即取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒。
高微重力實驗柜：雙層“隔振”挑戰極限
2013年，神舟十號飛船內，航天員向公眾直播了微重力狀態下的“真人秀”。指令長聶海勝盤起腿，玩起了“懸空打坐”。王亞平用手指輕輕一推，聶海勝搖搖晃晃向遠處飄去。
對于科學實驗而言，太空中的微重力環境能夠提供地面上難以得到的極限條件，有望獲得新發現。但像“天和”核心艙這樣在軌道上運行的航天器，其微重力狀態源于航天器受到的合力和航天器繞地球軌道飛行的向心力相等。
“這并不是一種絕對意義上的微重力。”中科院空間應用工程與技術中心高微重力科學實驗柜主任設計師李宗峰介紹，“實際上，在軌運行的航天器不僅會受到地球的引力，也會受到太陽光壓、大氣阻力等多種攝動力的影響。航天器受到的合力不可能與軌道運動所需的向心力完美相等。”
因此，兩者之間的差異意味著航天器上存在不同程度的“微重力水平”。一般而言，空間站的微重力水平大約在10-3g至10-5g。而在為“天和”核心艙研制的高微重力科學實驗柜研制中，來自中科院空間應用工程與技術中心的研究人員將微重力水平提升了至少兩個數量級，達到10-7g水平。他們怎么做到的？
“對于10-7g這種量級的高微重力水平，很多平常不起眼的因素都會造成破壞性影響。這些影響因素包括空間站整體環境、空間站艙內氣流以及實驗載荷本身的力學性質等。”李宗峰解釋道。而消除這些影響因素的策略則可以被總結為“隔振”二字。
為此，研究人員設計了雙層實驗系統，還讓它們分別“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動，完成微重力水平的極限挑戰。這一系統由外體和內體組成，科學載荷安裝于內體上，外體隔離外部的各種擾動力。
其核心工作模式有兩種。第一種為“柜內磁懸浮控制模式”，也被稱為“單層主動隔振模式”。工作狀態下，外體固定在實驗柜中，內體通過主動隔振控制實現10-6g的微重力水平。“這一模式已在天舟一號上得到了驗證。”李宗峰說。第二種為“柜外跟隨控制模式”。工作狀態下，內外體實驗系統整體在核心艙的空間內飛行，內體不受控制力，外體用精心設計的控制回路對內體進行姿態、軌道跟隨。這時，由于內體不受引力以外的力，就能夠實現10-7g的高微重力水平。
據了解，這是國際上首次在空間站艙內采用雙層懸浮的模式實現內體的高微重力水平，有望為高精度的科學實驗提供更好的微重力環境。
李宗峰表示，目前計劃開展基于冷原子干涉儀的“等效原理”檢驗技術試驗，以期為甄別眾多引力理論、尋找新物理提供證據。
（記者 甘曉）
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