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上圖為無容器材料實(shí)驗(yàn)柜，下圖為高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜示意圖。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心供圖

■本報(bào)記者 甘曉

高潔凈、高真空、微重力……太空具備有利于開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件，一直讓科學(xué)家向往。但過去多次空間任務(wù)中，特定、明確的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)裝置是“專人專用”的。這顯然不能滿足科學(xué)家的需要——他們想要滿足不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的通用“太空實(shí)驗(yàn)室”。

“太空實(shí)驗(yàn)室”主要靠科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜實(shí)現(xiàn)，每個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個(gè)專業(yè)學(xué)科或研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。日前成功發(fā)射的“天和”核心艙安排上了！艙內(nèi)配置了無容器實(shí)驗(yàn)柜和高微重力實(shí)驗(yàn)柜等兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，均利用了空間中的微重力環(huán)境，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的條件?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)柜的總體任務(wù)由中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心組織承擔(dān)。

無容器實(shí)驗(yàn)柜：純凈“液滴”不是夢(mèng)

“無容器”狀態(tài)是材料科學(xué)家夢(mèng)寐以求的一種實(shí)驗(yàn)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(shí)，“液滴”不會(huì)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(tài)。

中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心無容器材料實(shí)驗(yàn)柜主任設(shè)計(jì)師張立憲介紹，“無容器”環(huán)境下，科學(xué)家有望實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機(jī)理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測(cè)量研究等。

據(jù)了解，地面上讓“液滴”飄起來實(shí)現(xiàn)“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(chǎng)庫(kù)侖力的靜電懸浮、電磁力的電磁懸浮等。“空間實(shí)現(xiàn)‘無容器’則難在浮得住、控得穩(wěn)，就是能將樣品穩(wěn)定、精確地懸浮在實(shí)驗(yàn)位置，以獲得穩(wěn)定的樣品狀態(tài)?！睆埩椊榻B。

為此，來自中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員基于靜電懸浮技術(shù)，為“天和”核心艙開發(fā)了一套全新的無容器材料實(shí)驗(yàn)柜。

張立憲表示，實(shí)際運(yùn)行中，一個(gè)樣品盒可以容納29個(gè)樣品。一次實(shí)驗(yàn)有以下幾個(gè)步驟：完成真空或者氬氣加壓的實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備；樣品盒釋放樣品；位控系統(tǒng)捕獲釋放樣品，對(duì)樣品進(jìn)行懸浮位置控制；激光器加熱熔化樣品，高熔點(diǎn)樣品溫度可以達(dá)到3000攝氏度以上；開展熱物性參數(shù)測(cè)量；冷凝固樣品；位置控制將懸浮樣品移動(dòng)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(nèi)的樣品存儲(chǔ)位置。

“整個(gè)過程中不需要航天員進(jìn)行直接操作，而是主要通過注入指令執(zhí)行，地面工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)開展?！睆埩椊榻B。

將來，航天員入駐后，將在無容器實(shí)驗(yàn)柜上進(jìn)行方便的“傻瓜式”操作，即取出完成實(shí)驗(yàn)的樣品盒、裝上新樣品盒。

高微重力實(shí)驗(yàn)柜：雙層“隔振”挑戰(zhàn)極限

2013年，神舟十號(hào)飛船內(nèi)，航天員向公眾直播了微重力狀態(tài)下的“真人秀”。指令長(zhǎng)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(yuǎn)處飄去。

對(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，太空中的微重力環(huán)境能夠提供地面上難以得到的極限條件，有望獲得新發(fā)現(xiàn)。但像“天和”核心艙這樣在軌道上運(yùn)行的航天器，其微重力狀態(tài)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(duì)意義上的微重力?！敝锌圃嚎臻g應(yīng)用工程與技術(shù)中心高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜主任設(shè)計(jì)師李宗峰介紹，“實(shí)際上，在軌運(yùn)行的航天器不僅會(huì)受到地球的引力，也會(huì)受到太陽光壓、大氣阻力等多種攝動(dòng)力的影響。航天器受到的合力不可能與軌道運(yùn)動(dòng)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(xué)實(shí)驗(yàn)柜研制中，來自中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的研究人員將微重力水平提升了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10-7g水平。他們?cè)趺醋龅降模?/p>

“對(duì)于10-7g這種量級(jí)的高微重力水平，很多平常不起眼的因素都會(huì)造成破壞性影響。這些影響因素包括空間站整體環(huán)境、空間站艙內(nèi)氣流以及實(shí)驗(yàn)載荷本身的力學(xué)性質(zhì)等?！崩钭诜褰忉尩?。而消除這些影響因素的策略則可以被總結(jié)為“隔振”二字。

為此，研究人員設(shè)計(jì)了雙層實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還讓它們分別“懸浮”起來，從而最大程度上消除振動(dòng)，完成微重力水平的極限挑戰(zhàn)。這一系統(tǒng)由外體和內(nèi)體組成，科學(xué)載荷安裝于內(nèi)體上，外體隔離外部的各種擾動(dòng)力。

其核心工作模式有兩種。第一種為“柜內(nèi)磁懸浮控制模式”，也被稱為“單層主動(dòng)隔振模式”。工作狀態(tài)下，外體固定在實(shí)驗(yàn)柜中，內(nèi)體通過主動(dòng)隔振控制實(shí)現(xiàn)10-6g的微重力水平?！斑@一模式已在天舟一號(hào)上得到了驗(yàn)證?！崩钭诜逭f。第二種為“柜外跟隨控制模式”。工作狀態(tài)下，內(nèi)外體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體在核心艙的空間內(nèi)飛行，內(nèi)體不受控制力，外體用精心設(shè)計(jì)的控制回路對(duì)內(nèi)體進(jìn)行姿態(tài)、軌道跟隨。這時(shí)，由于內(nèi)體不受引力以外的力，就能夠?qū)崿F(xiàn)10-7g的高微重力水平。

據(jù)了解，這是國(guó)際上首次在空間站艙內(nèi)采用雙層懸浮的模式實(shí)現(xiàn)內(nèi)體的高微重力水平，有望為高精度的科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供更好的微重力環(huán)境。

李宗峰表示，目前計(jì)劃開展基于冷原子干涉儀的“等效原理”檢驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)，以期為甄別眾多引力理論、尋找新物理提供證據(jù)。