“就在我頭頂?！?023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，神舟十六號(hào)航天員桂海潮指著超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜說(shuō)，“它可以實(shí)現(xiàn)地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)的溫度，并制備出接近絕對(duì)零度的超低溫物質(zhì)，這種物質(zhì)的原子會(huì)呈現(xiàn)特殊的狀態(tài)，用于更好地探索量子力學(xué)的奇異世界?！?/p>

在中國(guó)航天員于正式運(yùn)行的國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室給孩子們講課的同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心（以下簡(jiǎn)稱“空間應(yīng)用中心”）研究員張璐正在電視臺(tái)“天宮課堂”的直播現(xiàn)場(chǎng)，給孩子們深入講解國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室里的高科技。

張璐等來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的科學(xué)家屬于最了解太空實(shí)驗(yàn)的一群人，他們?yōu)閲?guó)家太空實(shí)驗(yàn)室的誕生提供了強(qiáng)有力的科技支撐。

屏幕前，全國(guó)各地的孩子看著直播畫面，聽著科學(xué)家的講解，眼里滿是期待與驚喜。

中國(guó)空間站國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室。

把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空

國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室是依托中國(guó)空間站建立的國(guó)家級(jí)太空研究平臺(tái)。回溯中國(guó)空間站建設(shè)的歷史可以發(fā)現(xiàn)，建立國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室是中國(guó)早在30多年前就已明確的目標(biāo)。

1992年，我國(guó)批準(zhǔn)實(shí)施載人航天工程，明確“三步走”戰(zhàn)略——

第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；

第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；

第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。

“造船為建站，建站為應(yīng)用”，這是我國(guó)載人航天工程建設(shè)發(fā)展的初衷。而“太空實(shí)驗(yàn)”是“應(yīng)用”的重中之重，也是“三步走”戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中一直努力的方向。

在1992年中國(guó)載人航天工程確立之初，國(guó)家就把載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用的重任交給了中國(guó)科學(xué)院，由這支科技“國(guó)家隊(duì)”負(fù)責(zé)相關(guān)任務(wù)的論證、立項(xiàng)與實(shí)施。

在載人飛船階段，中國(guó)科學(xué)院組織開展了當(dāng)時(shí)規(guī)模最大、領(lǐng)域最廣的空間科學(xué)與應(yīng)用計(jì)劃，28項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)均為國(guó)內(nèi)首次開展，在我國(guó)空間生命、材料等基礎(chǔ)研究方面起到了開創(chuàng)奠基作用。

在空間實(shí)驗(yàn)室階段，中國(guó)科學(xué)院組織開展了50余項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)。其中，我國(guó)研制的世界首臺(tái)空間冷原子鐘達(dá)到10-16秒量級(jí)的超高精度，伽馬暴偏振儀等項(xiàng)目也取得了國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。

2021年，中國(guó)空間站迎來(lái)建設(shè)元年。這年4月29日，天和核心艙被長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭送入太空，中國(guó)空間站在軌組裝建造由此開啟。中國(guó)科學(xué)院組織全國(guó)相關(guān)科技人員，在空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)與應(yīng)用四大領(lǐng)域，規(guī)劃布局了覆蓋面廣泛的研究項(xiàng)目，研制了一批具有國(guó)際一流水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜和艙外設(shè)施。

作為中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)柜研制的參與者，來(lái)自空間應(yīng)用中心的科研人員常被問(wèn)到“為什么要把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空”。

每次遇到這個(gè)問(wèn)題，載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)總指揮助理、空間應(yīng)用中心研究員張偉都會(huì)認(rèn)真作答：“我們要探尋‘我們是誰(shuí)’‘我們從哪里來(lái)’，了解生命、宇宙的起源與演化；我們也要回答‘我們到哪里去’，如果地球未來(lái)不適合人類生存了，我們就需要找一個(gè)地外的生存空間。此外，我們還可以讓太空資源為人類所用?！?/p>

在他和同事看來(lái)，前往太空、探索太空，既是人類好奇心的驅(qū)使，也是人類發(fā)展的終極需求，而空間站為人類邁向宇宙奠定了基礎(chǔ)，是人類開展太空探索、開發(fā)太空資源的前哨平臺(tái)。

“太空實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)槲覀兲峁┖芎玫难芯織l件，比如長(zhǎng)期的微重力、輻射條件，讓我們可以研究這種環(huán)境下新的生命科學(xué)、物理科學(xué)現(xiàn)象，研究產(chǎn)生這些現(xiàn)象的機(jī)理，掌握未來(lái)人類長(zhǎng)期在太空生存需要采取的措施?！睆垈フf(shuō)。

向著明確的目標(biāo)、帶著美好的期待，2022年中國(guó)空間站迎來(lái)了忙碌的一年。2022年7月25日，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙成功對(duì)接；2022年11月1日，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙成功對(duì)接；2022年11月3日，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。

建成后的中國(guó)空間站成為一座國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，也成為中國(guó)航天史上規(guī)模最大、長(zhǎng)期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，天和核心艙主要面向航天醫(yī)學(xué)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)；問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究；夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究。

“方寸”之間顯身手

當(dāng)2023年8月18日中國(guó)國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室宣布正式啟用時(shí)，張璐、張偉心里說(shuō)不出的激動(dòng)?！鞍褜?shí)驗(yàn)室搬進(jìn)太空”，是無(wú)數(shù)科研人員經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試和努力的結(jié)果。

中國(guó)空間站三艙部署的實(shí)驗(yàn)機(jī)柜與一系列艙外設(shè)施，可開展上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中，生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜、高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等14個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜均由中國(guó)科學(xué)院牽頭完成。

空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜及其分布情況。

這14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜有共同的研制難點(diǎn)。

難點(diǎn)之一是“小”，研制實(shí)驗(yàn)柜相當(dāng)于把在地面上一整間屋子里的實(shí)驗(yàn)裝置，塞進(jìn)不到兩立方米的柜子里；難點(diǎn)之二是實(shí)驗(yàn)柜要既輕便又牢固，用最小的重量搭載最多的科學(xué)載荷，以便未來(lái)能夠承載更多的科學(xué)研究；難點(diǎn)之三是要有科學(xué)前瞻性，能滿足后續(xù)十年的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。

每一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜都相當(dāng)于一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米?！凹夹g(shù)創(chuàng)新是唯一的辦法?！睆堣凑f(shuō)。

科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行了幾百次仿真和力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證；他們?cè)诠耋w上進(jìn)行了大量的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，又對(duì)局部進(jìn)行加固處理，滿足發(fā)射需求。通過(guò)多輪次“材料優(yōu)選、輕量化設(shè)計(jì)、仿真分析、力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證”的迭代，實(shí)驗(yàn)柜在柜體主結(jié)構(gòu)不到100公斤的情況下，承重能力達(dá)到500公斤，比國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)柜高出兩倍以上。

此外，在科學(xué)研究規(guī)模越來(lái)越大、科學(xué)設(shè)施越來(lái)越復(fù)雜，以及學(xué)科之間不斷交叉融合的當(dāng)下，科學(xué)家和工程師的合作越來(lái)越重要。早在2011年，中國(guó)科學(xué)院就開始征集空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建議，從而最大限度地確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前沿性和前瞻性。“當(dāng)時(shí)有500多個(gè)項(xiàng)目建議，我們從項(xiàng)目建議中提煉出需求，再歸納總結(jié)形成實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案。”張偉感慨，“科學(xué)家就像大腦，需要醞釀出一個(gè)科學(xué)想法；工程師就像雙手，把科學(xué)想法變成現(xiàn)實(shí)?！保ㄓ浾吣咚紳?高雅麗）

（未完待續(xù)）

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