与问天实验舱主要面向空间生命科学研究不同，梦天实验舱主要面向微重力科学研究。研制了空间科学研究与应用领域的超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、燃烧科学实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、在线个科学实验柜。这些科学实验柜有什么特点、会发挥什么作用？

　　空间站超冷原子物理实验系统（简称超冷柜，缩写CAPR）是中国空间站梦天实验舱主要科学载荷之一，期望为超冷原子物理研究提供一个长期在轨稳定运行的实验系统，是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台。

　　利用近地轨道优越的永久微重力条件和新型两级蒸发冷却等新方法，超冷柜有望制备地面没办法实现的距离绝对零度以上千亿分之一度范围内的超低温量子气体，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，以地面上不可能的方式进入量子力学的奇异世界，超越地面的限制而获得重大的基础科学突破，理解物理本质，为基本物理定律提供更高精度的检验。

　　未来在轨运行期将开展诸如高温超导机理、拓扑相变、量子精密测量、标准模型的检验等重大物理问题的研究，通过这一些研究期望发现新的物质态，认识新的物理规律，在系列前沿研究方向取得突破性的研究成果。

　　超冷原子物理实验柜突破了全光纤激光链路、高精度激光稳定、大电流磁阱控制、超高真空长时间断电保持、高精密光机、高精度振动隔离等一系列关键技术，将地面上庞大复杂的冷原子实验室集成为符合载人航天标准的、可在轨自动运行的、高可靠空间冷原子实验平台，为我国的空间原子物理基础研究和量子技术应用奠定基础。

　　高精度时频实验系统通过舱内不同特性原子钟组合，将建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。该系统产生的高精度时间频率信号，利用安置于舱外的微波和激光时间频率传递载荷向地面和空间一些范围传递高精度时间频率信号。

　　作为空间站科学和技术实验平台之一，高精度时频系统研制目标是为相关精密测量物理提供研究平台，为相关工程技术应用提供高精度时频信号。它的主要任务包括三个方面：建立空间高精度时间频率信号产生和运行系统，应用不一样高性能原子钟钟，以及频率比对分配系统；实现高精度空地时间频率传递比对，应用微波和激光两条时间频率传递比对的链路；建设地面测试评估及实验验证系统，通过地面高精度原子钟、高精度时频光纤传递网、地面专用激光和微波收发台站，对空间站高精度时频信号进行性能测试、和技术试验证。

　　它的主要组成包括地面测试评估和实验验证系统、空间载荷部分。空间载荷部分最重要的包含11个子系统：主动氢原子钟；冷原子微波钟；冷原子锶光钟；窄线宽激光器；飞秒光学频率梳；超静主动隔振；频率比对与分配器；时间频率光纤船舱传递系统；微波时频传递比对链路；激光时频传递比对链路；GNSS精密定轨单元。

　　高精度时频实验柜利用空间站的微重力环境、较大载荷能力和航天员照料等优势，研制高性能的原子钟以及高精度时频系统， 是时间频率研究的制高点。高精度时频系统将对相关基础物理研究和相关工程应用做出重要贡献，也将为我国标准时间和国际原子时精度的提高做出重要贡献。

　　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，它能够在一定程度上帮助科学家们在燃烧基础科学问题、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。

　　该科学实验系统由光学支撑平板、燃烧室、实验插件、燃烧诊断子系统、排气净化子系统、稀释剂与氧化剂子系统、实验控制子系统以及环境热控子系统构成。其中，光学支撑平板是实验系统的结构支撑体；燃烧室为燃烧实验提供密闭空间，通过更换安装在燃烧室内部的实验插件，能够支持进行气、液、固多种燃料的燃烧实验；燃烧诊断子系统的光学设备可获取丰富的火焰图像信息，提供给地面科学家做多元化的分析；排气净化子系统能够将燃烧产生的废气进行组分分析、循环过滤、清洁排放；稀释剂与氧化剂子系统对氧气、氮气、氩气等进行存储与供给；实验控制子系统负责燃烧实验流程、数据采集输送的管理与控制；环境热控子系统提供风冷与水冷，保障设备安全运行。

　　燃烧科学实验系统将地面实验室中必要的设备全部集成于实验柜中，气体供给、点火燃烧、图像拍摄、废气排放等燃烧实验流程全自动进行；能够测量火焰形貌、结构、温度、速度、产物组分等信息，值得一提的是燃烧科学实验系统搭载了一套PIV（粒子图像测速技术）设备，实现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。

　　燃烧科学实验系统为科学家提供了一个可扩展的综合性研究平台，有望产出一批代表性的科研成果，对于完善燃烧基础理论、发展先进燃烧技术有着重要意义。

　　高温材料科学实验柜是支持在空间站微重力环境下进行材料制备、加工、原位检测、实时观察和诊断于一体的新型实验装置，装置的最高工作时候的温度、温度稳定度、样品数量、实时观察成像技术等均处于国际领先水平。

　　高温材料柜采用标准化、模块化设计，由控制模块、高温炉模块、批量样品管理模块和X射线透射成像模块组成，支持模块在轨更换和升级。

　　高温材料柜可提供材料研究需要的等温、梯度、区熔等多种模式。支持多样品同时装载、在轨自动换样实验批量管理，极大提高了实验研究效率。装置特有的X射线原位成像技术，为材料在微重力环境下的结晶演化以及机理分析提供了实时观察技术方法。高温材料柜最高加热温度达1600 ℃、温度稳定度±0.25℃、最大温度梯度150 ℃/cm、批量自动化管理16支样品等多项技术指标优于国际空间站同类实验装置。X射线透射成像实时观察是高温材料柜又一特色，是国际上首次在空间站上行X射线实验装置，可实现材料熔融凝固过程的动态实时成像与实时观察。高温材料柜还具有旋转磁场调控、主动冷却、真空压力实时监控、样品熔体热物性在线测量等新功能。

　　高温材料柜为空间材料科学研究提供了多样化的先进的技术条件和功能，丰富了材料科学家在太空中进行高温金属及合金材料、半导体材料、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，对研究微重力下材料科学基础科学问题，解决我们国家发展高端装备、大科学工程、高端芯片急需的“卡脖子”材料中的关键科学问题和技术有重要的帮助，为研发颠覆性的材料制备技术和特殊应用背景材料的研究提供了坚实的基础。首批上行了16支科学实验样品，首批样品完成在轨试验后，有望获得若干具有价值的原创性的空间科学研究成果。

　　两相系统实验柜是针对国际空间应用两相系统前沿科学方向研制的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。

　　两相柜科学实验系统由光学观测平台与实验工质调控等六组模块组成，集成了多相流动和传热动-静态全过程的宏观与细观表征的高精度非接触光学测量仪器和装置，可为科学实验载荷（项目模块）提供多目标和多方式的组合观测和实验工质供给与循环、温度压力调节与控制等在轨实验支撑能力，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。

　　依托该实验平台通过系列空间科学实验研究，可以揭示微重力环境下具有气/液两相流体与相变传热，热、质传输特殊规律和探讨重力变化的影响，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探讨研究提供新理论、新概念和新方法。实验柜开展的三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国际影响力和应用效果。

　　流体物理实验柜大多数都用在空间微重力环境中流体的宏观、微观运动规律研究。微重力环境为流体研究创造了近乎理想的各向同性条件，在失重环境中流体能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，如地面由体积力主导的热对流与太空由表面力主导的热对流表现出极大的差异，流动结构、失稳过程的空间尺度和时间尺度大幅度提升，混沌转捩途径、湍流作用机制一定要通过太空实验研究来再认识。

　　流体物理实验柜配置了10套宏观尺度的流体动力学检测系统，采用了先进的数字全息干涉、红外热像、粒子图像测速及激光多普勒测速和高精度表面形变测量等技术，用于流体速度场、温度场、浓度场和表面形貌等直接测量；配置了4套微观尺度的复杂流体检测系统，如显微观测、流变仪、动/静态光散射仪和光谱仪等，用于分散体系、非牛顿流体的颗粒尺度、胶体晶体微观结构、流变特性等在线测量。实验柜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。流体物理实验柜可开展不同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。

　　此外，实验柜也支持空间材料制备、空间生物过程中与流体热质输运相关的交叉性科学与技术实验研究。

　　在线维修装调实验柜，可以简称为在线柜，可以把它看作是一个“太空维修工厂”，一个“装配车间”，也可以看作一个实验室。这个柜子最核心的部分就是上面这个非常大的多功能操作箱（在线维修操作支持单元），有效操作体积＞360L，前面有个透明的面板，能够正常的看到箱内的环境，也能够最终靠面板上的两个操作孔，利用手套从外部对箱体内的载荷做相关操作，或者把这个透明面板打开，直接对里面的载荷做相关操作。箱体内部有监测温度、湿度、压差的传感器，有相机和照明设备，有供电、信息接口，还有液体、气体的接口，同时，里面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。

　　另外，箱体里还配备有一套7自由度的灵巧机械手，能轻松实现多种类的精密操作，操作精度能够达到0.1mm。如果有载荷需要来这个地方进行操作或者试验，就可以把它放到底部的作业台上，然后充分利用箱内现有的资源，如果载荷尺寸非常大，箱体还额外设计了一个可以展开的移动维修平台，就折叠放在箱子的下方，使用的时候抽出、展开，一个拓展式的操作平台就架设好了，这个平台还提供了多种不同的固定方式适应不同的载荷。

　　另外，基于增强现实技术的智能诱导维修系统，可以帮助航天员维修操作一些复杂的设备。航天员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做相关操作。航天员还可以直接在虚拟界面上选择需要的操作步骤演示，能够轻松、清晰、直观的了解操作过程。

　　在线维修装调实验柜重点支持开展以下工作：支持旨在航天员的操作支持，完成空间应用系统载荷模块/载荷单元的组装、测试，完成在轨可更换单元的更换及部分模块的深度维护和维修，并为未来重要器件的维修更换探索技术，为科学实验系统技术指标的在轨提升做支撑；降低航天员地面训练和在轨操作负担，并为全自动化操作进行技术和应用模式的探索；在航天员的辅助下，完成在轨精细操作；支持符合标准要求的独立载荷模块项目开展实（试）验与应用，为遥科学技术试验提供通用技术条件；开展空间应用任务在轨维修保障模式的试验验证，开展在轨维修装调操作新技术试验与应用研究。

　　本文综合转载自“中国载人航天”，原标题《飞天圆梦 解码梦天实验舱科学实验柜（上）》《飞天圆梦 解码梦天实验舱科学实验柜（下）》。

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