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  • 梦天实验“神器”揭秘:面向微重力科研,规划约40个实验项目

    时间:2022-11-01  来源:中国科学报  作者:高雅丽

    梦天实验“神器”揭秘:面向微重力科研,规划约40个实验项目

    10月31日15时37分,搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭,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,发射任务取得圆满成功。新华社 图

    北京时间2022年10月31日15时37分,搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭,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,发射任务取得圆满成功。这是中国天宫空间站三舱T字构型组合体的最后一个部分。

    梦天实验舱主要面向微重力科学研究。中国科学院作为国家战略科技力量主力军,研制了超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调操作柜等7个方面的8个科学实验柜,能够在微重力基础物理、空间材料科学、微重力流体物理与燃烧科学等方向开展相关的科学实验和应用研究。

    中科院空间应用中心研究员、空间应用系统副总师刘国宁告诉《中国科学报》:“梦天实验舱装载的8个科学实验柜已经规划安排约40个科学实验项目,后续将根据实验规划持续开展在轨实验,预期能够产出具有国际水平的科学成果,揭示重要科学规律,并同步推进应用和技术转移,进一步推动我国空间科学整体水平的提升。”

    梦天实验“神器”揭秘:面向微重力科研,规划约40个实验项目

    11月1日在北京航天飞行控制中心拍摄的空间站梦天实验舱与空间站组合体在轨完成交会对接。这是梦天实验舱从19米停泊点向天和核心舱前向端口靠近的模拟图像。新华社 图

    超冷原子物理实验柜:提供更高精度检验

    超冷原子物理实验柜是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台,主要利用空间微重力环境条件,建立具有超低温、大尺度、高质量、适合精密测量的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)工作物质的开放实验系统,开展前沿基础物理研究。

    中科院上海光学精密机械研究所副研究员、超冷原子物理实验柜科学实验系统副主任设计师汪斌表示,超冷原子物理实验柜有望制备地面无法实现的绝对零度以上千亿分之一度范围内(10~12K量级)的超低温量子气体,观测到肉眼可见的宏观量子现象,原子之间相互作用时间增长3个数量级以上。

    “具有这些特性的原子气体给我们提供了一个独特窗口和全新视角来直接观察其独特的原子行为,让我们以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界,为基本物理定律提供更高精度的检验。”汪斌说。

    高精度时频实验柜:开展基础物理研究

    高精度时频实验柜是空间站中最复杂的实验柜,是由2个舱内科学实验柜和4台舱外设备组成的一个完整实验系统。

    “高精度时频实验柜主要是通过不同特性的原子钟组合,在空间站构建超高精度时间频率产生和运行的系统,开展基础物理理论检验,并支持通过微波和激光传递链路向地面提供超高精度时间频率信号。”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指挥、责任科学家张首刚说。

    高精度时频系统将为相关基础物理研究、相关工程应用、我国标准时间和国际原子时精度的提高作出重要贡献。

    张首刚表示,应用高精度时频系统提供的超高精度时间频率信号,可以开展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。该系统可以同步重大科技设施和工程技术设施的各部分时间,改善重大设施性能,未来有可能填补洲际地面光钟比对技术空白,支撑时间单位“秒”定义的变更。

    燃烧科学实验柜:完善燃烧基础理论

    燃烧科学实验柜是能够支持在轨开展微重力燃烧基础科学研究的一套科学实验系统。该系统中气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等燃烧实验流程可以全自动进行,能够测量火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息。

    燃烧科学实验系统搭载了一套PIV(粒子图像测速)技术设备,是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。燃烧科学实验柜可以帮助科学家对燃烧基础科学问题、空天推进、航天器防火灭火、燃烧污染物控制等基础及应用技术展开深入研究。

    高温材料科学实验柜:为空间材料科学提供先进技术

    中科院上海硅酸盐研究所研究员、高温材料科学实验柜科学实验系统主任设计师刘学超介绍,高温材料科学实验柜为空间材料科学研究提供了多样化的先进技术条件和功能,便于材料科学家在太空中进行高温金属及合金材料、先进半导体材料、功能晶体材料、复合材料、能源材料、生物材料、纳米材料和新材料研究。

    “X射线透射成像实时观察是高温材料柜的又一特色,是国际上首次在空间站上行X射线实验装置,可以实现材料熔融凝固过程的动态实时成像与实时观察。”刘学超说。

    高温材料科学实验柜首批上行了16支科学实验样品,研制团队对每个上行样品在地面进行了大量的匹配实验,并设计了具有抗力学振动功能的3个高温材料样品货包。

    流体物理实验柜:揭示流体运动新机制

    流体物理实验柜主要用于空间微重力环境中流体的宏观、微观运动规律研究,配置了10套宏观尺度的流体动力学测试系统和4套微观尺度的复杂流体测试系统,还配置了专门的主动悬浮隔振系统,可使实验系统的环境微重力水平比空间站本底好100倍。

    中科院力学研究所研究员,流体物理实验柜科学实验系统主任设计师、责任科学家康琦说,微重力环境为流体创造了近乎理想的各向同性研究条件,在失重环境中流体可以形成地面无法构建的新体系,流体的运动表现出许多新规律、新机制。

    流体物理实验柜可开展多种流体体系的动力学过程、扩散过程,相变及自组织行为的在轨微重力实验,超越了国际空间站3个已有的专用流体实验柜形成的综合测试手段和能力,它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:为空间应用流体物理提供新理论

    两相系统实验柜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、两相流动、空间在轨流体管理等科学研究与技术验证的整柜级实验平台。

    依托该实验平台开展系列空间科学实验研究,可以发展热、质交换复杂界面动力学科学理论,为解决我国载人航天工程和深空探测活动中遇到的空间应用流体物理及其两相系统关键科学问题和工程技术研究提供新理论、新概念和新方法。

    整柜设计具有我国空间实验装置平台的独创性和先进性,可满足未来10年以上多相流与传热研究的空间实验需求。实验柜的3个首批实验项目将开展与欧空局之间的国际合作研究,提高我国空间站应用研究的国际影响力和应用效果。

    在线维修装调操作柜:太空“维修工厂”

    梦天实验舱设置的在线维修装调操作柜(以下简称在线柜),是一个太空“维修工厂”。

    中科院空间应用中心研究员、在线维修装调操作柜主任设计师张璐说:“在线柜最核心的部分就是多功能操作箱,前面有个透明的面板,可以看到箱内环境,也可以通过面板上的两个操作孔,利用手套,从外部对箱体内的载荷进行操作,或者把透明面板打开,直接对里面的载荷进行操作。”

    同时,在线柜还装有一套风路循环系统,可以同时实现风冷散热、废弃颗粒物的吸附和部分气体的吸收处理。箱体里配备有一套灵巧的“机械手”,可以实现多种类的精密操作,操作精度可以达到0.1毫米。

    “在线柜还有一套基于增强现实技术的智能诱导维修系统,航天员如果需要维修操作一些复杂的设备,可以不再使用传统的说明书、操作手册等产品,而是选择戴上增强现实眼镜,配合诱导维修软件的指引,在真实的待操作产品上叠加预先制作好的操作指引动画,使航天员能够更轻松、更清晰、更直观地完成操作。”张璐说。

    关键词:梦天实验舱
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