太空实验室来了!“天和”两大科学实验柜详解

高洁净、高真空、微重力……太空中的这些有利于开展科学实验的条件,一直让科学家们向往,“上天”去做“神仙实验”吧!

过去的多次空间任务中,特定的、明确的科学实验需要的实验装置也是“专人专用”的。这显然不能满足科学家的需要——他们想要的是一个满足不同学科不同领域的通用“太空实验室”。

4月29日成功发射的“天和”核心舱安排上了!舱内配置了“无容器实验柜”和“高微重力实验柜”等2个科学实验柜。科学实验柜的总体任务由中国科学院空间应用工程与技术中心组织承担。

“太空实验室”主要靠“科学实验柜”实现,每个科学实验柜都相当于一个专业学科或研究领域的实验研究平台。

此次“天和”核心舱内2个科学实验柜均利用了空间中的微重力环境,通过创新的设计,实现科学实验所需的条件。

“无容器”实验柜:纯净“液滴”不是梦

“无容器”状态,是材料科学家梦寐以求的一种实验条件。一幅直观而形象的画面有利于理解这一状态:熔融的金属或者非金属材料成为一个液滴,漂浮在空中。这时,“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也不凝固,仍然保持液体状态。

中国科学院空间应用工程与技术中心无容器材料实验柜主任设计师张立宪介绍,“无容器”环境下,科学家有望实现对金属和非金属的“深过冷凝固过程与机理”研究、新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究等。

据了解,地面上让“液滴”飘起来实现“无容器”需要利用某种外力抵消“液滴”本身的重力,包括利用气浮力的气悬浮、利用声辐射压力的声悬浮、利用静电场库仑力的静电悬浮、利用电磁力的电磁悬浮等。

“空间实现‘无容器’则难在浮得住、控得稳,就是要能将样品稳定的、精确的悬浮在实验位置,以此获得稳定的样品状态。”张立宪介绍。

为此,来自中国科学院空间应用工程与技术中心的研究人员基于“静电悬浮技术”为“天和”核心舱开发了一套全新的无容器材料实验柜。

无容器材料实验柜(中国科学院空间应用工程与技术中心供图)

张立宪表示,实际运行中,一个样品盒可以容纳29个样品。一次实验有以下几个步骤,第一,完成真空或者氩气加压的实验环境准备。第二,样品盒释放样品。第三,位控系统捕获释放样品,对样品进行悬浮位置控制。第四,激光器加热熔化样品,高熔点样品温度可以达到3000摄氏度以上。第五,开展热物性参数测量。第六,冷凝固样品。第七,位置控制将悬浮样品移动到样品回收入口处,通过前后推杆将样品夹持住,再推送到样品盒内的样品存储位置。

“整个过程中不需要航天员进行直接操作,主要通过注入指令执行,地面工作人员可以实时监控实验开展。”张立宪介绍。

将来,航天员入驻后,将在“无容器”实验柜上进行方便的“傻瓜式”操作,即取出完成实验的样品盒、装上新样品盒。

高微重力实验柜:双层“隔振”挑战极限

2013年,神舟十号飞船内,航天员向公众直播了微重力状态下的“真人秀”。指令长聂海胜盘起腿,玩起了“悬空打坐”。王亚平用手指轻轻一推,聂海胜摇摇晃晃向远处飘去。

对于科学实验而言,太空中的微重力环境能够提供地面上难以得到的极限条件,有望获得新发现。

但是,像“天和”核心舱这样在轨道上运行的航天器,其微重力状态是由于航天器受到的合力和航天器绕地球轨道飞行的向心力相等。

“这并不是一种绝对意义上的微重力。”中国科学院空间应用工程与技术中心高微重力科学实验柜主任设计师李宗峰介绍,“实际上在轨运行的航天器不光会受到地球的引力,也会受到太阳光压、大气阻力等多种摄动力的影响,航天器受到的合力实际上不可能与轨道运动所需的向心力完美相等。”

因此,两者之间的差异意味着航天器上存在不同程度的“微重力水平”。一般而言,空间站的微重力水平大约在10-3g至10-5g范围。

在为“天和”核心舱研制的高微重力科学实验柜研制中,来自中国科学院空间应用工程与技术中心的研究人员将微重力水平提升了至少2个数量级,达到到10-7g水平。

那么,他们怎么做到的?

“对于10-7g这种量级的高微重力水平,很多平常不起眼的因素都会造成破坏性影响。这些影响因素包括空间站整体环境、空间站舱内气流以及实验载荷本身的力学性质等。”李宗峰解释道。而消除这些影响因素的策略则可以被总结为“隔振”二字。

高微重力科学实验柜示意图(中国科学院空间应用工程与技术中心供图)

为此,研究人员设计了双层实验系统,还让它们分别“悬浮”起来,从而最大程度上消除振动,完成微重力水平的极限挑战。

这一系统由外体和内体组成,科学载荷安装于内体上,外体隔离外部的各种扰动力。其核心工作模式有两种。第一种为“柜内磁悬浮控制模式”,也被称为“单层主动隔振模式”。工作状态下,外体固定在实验柜中,内体通过主动隔振控制实现10-6g的微重力水平。“这一模式已在天舟一号上得到了验证。”李宗峰说。

第二种为“柜外跟随控制模式”。工作状态下,内外体实验系统整体在核心舱的空间内飞行,内体不受控制力,外体用精心设计的控制回路对内体进行姿态、轨道跟随。这时,由于内体不受引力以外的力,就能够实现10-7g的高微重力水平。

据了解,这是国际上首次在空间站舱内采用双层悬浮的模式实现内体的高微重力水平,有望为高精度的科学实验提供更好的微重力环境。

李宗峰表示,目前计划开展基于冷原子干涉仪的“等效原理”检验技术试验,以期为甄别众多引力理论、寻找新物理提供证据。