目前，核心艙組合體已經在軌運行一個多月，並順利開展了一系列工作。按計劃，後續將陸續發射問天實驗艙和夢天實驗艙，與核心艙組合成一個T字形構型，建成國家級太空實驗室，支持開展大量科學研究和實驗。作爲太空“頂流”的“國貨之光”——太空實驗室裏究竟有什麼，又如何在太空中開展實驗？現在就帶你研究！

01 太空實驗室裏有什麼？

高潔淨、高真空、微重力……這些得天獨厚的優勢爲科學家們在太空中開展科學實驗提供了有利條件。在此前的飛行任務中，特定的、明確的科學實驗，需要的實驗裝置屬於“專人專用”，一個能夠滿足不同學科、不同領域的通用型“太空實驗室”成爲科學家們嚮往的“神仙之地”，而中國空間站正在實現這個目標，未來，站上的每個實驗櫃都將是一個高功能的小型太空實驗室。

實驗櫃是空間站艙內實（試）驗任務開展的主要支持設施。每個實驗櫃都是一個專業學科或研究領域的實驗研究平臺，滿足不同學科、不同領域空間科學實（試）驗開展的需求。

作爲國家級太空實驗室，中國空間站還將在艙內、艙外部署衆多重大科學設施，用於支持空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、微重力燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理等廣泛領域的空間科學實（試）驗研究，在軌期間預計可滾動實施近千項實驗項目，中國空間科學研究與應用的新時代即將開啓。

02 第一梯隊都有誰？

4月29日，天和核心艙搭載了“無容器”和“高微重力”兩個科學實驗櫃順利進駐太空，成爲在軌第一梯隊成員。目前兩個實驗櫃已經完成基本功能測試，並陸續開展實驗。

高微重力實驗櫃：雙層“隔振”挑戰極限

2013年，神舟十號航天員乘組在軌期間向公衆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，聶海勝緩緩向遠處飄去。

對於科學實驗而言，太空中的微重力環境能夠提供地面難以企及的極限條件，有望獲得新發現。但在軌運行的航天器不僅會受到地球引力的影響，也會受到太陽光壓、大氣阻力等多種因素影響。因此，艙內微重力環境並非絕對意義上的微重力。一般而言，空間站的微重力水平大約在

10-3g至10-5g。而高微重力科學實驗櫃將微重力水平提升了兩個數量級，達到10-7g水平，這是怎麼做到的呢？

高微重力櫃中的懸浮實驗臺是實現高微重力環境的關鍵設備，其外體通過噴氣控制姿態和位置，隔離外部各種擾動力，內部是電磁懸浮實驗臺，用於安裝科學載荷，航天員可以通過界面來操作實驗臺。

其核心工作模式有兩種。第一種爲“櫃內磁懸浮控制模式”，也被稱爲“單層主動隔振模式”。外體固定在實驗櫃中，內體通過主動隔振控制實現10-6g的微重力水平。第二種爲“櫃外跟隨控制模式”。內外體實驗系統整體在覈心艙的空間內飛行，外體用控制迴路對內體進行姿態、軌道跟隨。內體不受引力以外的力，就能夠實現10-7g的高微重力水平。

高微重力實驗櫃是國際上首次在空間站艙內採用雙層懸浮的模式實現內體的高微重力水平。高微重力實驗櫃後續主要用於開展相對論物理實驗和引力物理實驗，包括2022年將開展的國際上首次原子層面的相對論弱等效原理檢驗，將助於我們在物理規律上的持續探索。

無容器實驗櫃：純淨“液滴”不是夢

除了高微重力實驗櫃以外，空間站第一梯隊裏還有一位重要角色——無容器實驗櫃。

“無容器”狀態，是材料科學家夢寐以求的一種實驗條件。一幅直觀而形象的畫面有利於理解這一狀態：熔融的金屬或者非金屬材料成爲一個液滴，漂浮在空中。這時，“液滴”不會因爲和容器壁接觸而受到污染，“純淨”的材料則能夠在較低溫度下仍然保持液體狀態。“無容器”環境下，有望實現對“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料製備研究等。

無容器，最關鍵是要讓物質克服重力，脫離與周圍物質的接觸。在太空中主要通過靜電懸浮的手段，實現“無容器”的關鍵點是：浮得住、控得穩，就是要能將樣品穩定、精確地懸浮在實驗位置，以此獲得穩定的樣品狀態。

無容器實驗櫃採用批量樣品盒，一個樣品盒能容納多個樣品。每個樣品完成無容器懸浮狀態的加熱熔化、參數測量、過冷凝固等實驗過程後，通過位置控制將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，然後通過前後推杆將樣品夾持住，最後推送到樣品盒內的樣品存儲位置。

目前無容器實驗櫃上安排了9項空間材料科學實驗。航天員對無容器材料實驗櫃的在軌操作主要是進行樣品盒更換。實驗過程中主要通過指令執行，地面工作人員可以實時監控實驗開展。

對於有志於太空科學實驗的中國科學家來說，中國空間站將爲他們提供前所未有的實驗平臺。與此同時，中國空間站國際合作大門也向全世界敞開。空間站階段，大國重器震撼登場，讓我們一起見證，“強出天際”的“國貨之光”，爲人類空間探索作出的中國貢獻！

來源/中國載人航天微信公衆號