近日，搭载长征五号B遥三运载火箭的问天实验舱“一飞冲天”。这是中国空间站的首个科学实验舱。航天员将依托问天实验舱完成多项生命科学与生物技术研究，在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验4个领域方向开展10个研究主题。
问天实验舱是一个可以支持开展空间实验的舱段。实验舱支持提供的实验规模比核心舱大很多。那问天实验舱里都有哪些“神奇装置”，它们的“说明书”该如何打开？
为什么有些实验非要去太空完成呢？
要知道，在地球表面，每个物体都会受到重力，无法完全抽成真空的实验空间，还有随处可见的细菌、灰尘等污染物。为了消除这些因素对实验的影响，尽管科学家发展了很多相关的技术，但想要完全将这些因素除去，就必须脱离地球表面，来到太空。
发射入轨后，应用系统将按照飞行程序安排开展初始状态设置和在轨测试，之后开展规划的各项科学实验，空间站转入运营阶段后就可以开展较大规模空间科学实验了。
那些入住问天实验舱的“黑科技”
1.生物技术实验柜
问天实验舱的主要任务是进行生命科学和生物技术研究。它搭载的两个太空生命科学实验柜分别是生命生态实验柜和生物技术实验柜，都出自中国科学院上海技术物理研究所的科研人员之手。
其中，生命生态实验柜的主要目的是开展以生物个体(包括植物、动物等)为对象的微重力效应和空间辐射效应研究，以及空间生态生命支持系统基础研究。
生物技术实验柜包括细胞组织实验模块、细胞组织检测与调控模块、蛋白质结晶与分析模块以及专用实验模块。它们将分别开展以生物组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象的细胞培养和组织构建，以及分子生物制造、空间蛋白质结晶和分析等空间生物技术及应用研究，并给蛋白与核酸共起源、空间生物力学等提供接口，在创新的生物材料、药物和医疗技术等方面取得突破性发现、获取全新的认知，为指导和促进地面农业、医药、环境生物技术研究和发展发挥积极作用。
2.微米级科学手套箱
作为一项重要的科学实验设施，由中国科学院沈阳自动化研究所研制的科学手套箱也随问天实验舱发射升空。
科学手套箱的设计统筹了生命科学、生物技术、航天医学、材料科学等学科需求，为空间科学实验提供密闭洁净的操作空间。其温度、湿度、光照、风速可控，还特别配置了灵巧的机械臂系统和可以进行显微细胞操作的微操作系统。
科学手套箱的应用范围包括空间基础生物学研究、空间生命科学的前沿和交叉研究、空间生物技术和应用研究、空间辐射生物学研究及空间生态生命支持系统基础性研究等。
南开大学人工智能学院赵新教授研究团队的孙明竹、秦岩丁两位老师参与了科学手套箱中微操作手臂、微操作末端工具的研制及细胞操作软件的开发。科学手套箱支持各类科学实验样品的隔离密闭和精细操作，其中微操作手臂的操作精度优于5微米，可完成多种微米级细胞操作。
3.三温区“航天冰箱”
问天实验舱还配备了被称为“航天冰箱”的低温存储装置。该装置在不到0.5平方米的狭小空间内，高密度集成-80℃、-20℃、+4℃三种典型存储温度，可满足生物、试剂、材料等样品不同低温存储条件，为开展长期空间实验提供保障。
江苏山由帝奥节能新材股份有限公司提供的真空绝热板应用于问天实验舱低温实验保冷设备。问天实验舱要在轨12年，“航天冰箱”在长时间内要持续稳定保持在-80℃，对真空绝热板表面材料的耐受度、内部芯材都提出了更高要求，同时一些异形结构真空绝热板的制备也存在挑战。
该公司团队在南航材料科学与技术学院教授陈照峰的指导下，对原有产品的制备流程和性能不断优化和提升，确保了真空绝热板性能长期稳定。与传统的绝热材料相比，真空绝热板导热系数是传统绝热材料的1/6甚至更低，厚度也仅为普通材料的1/10~1/5，适用于受空间限制及保温性能要求比较高的场合。
4.双通道气相色谱仪
中国科学院大连化物所微型分析仪器研究组(105组)关亚风研究员、丁坤副研究员、耿旭辉研究员团队研制的双通道气相色谱仪作为环控生保子系统的重要组件，搭载问天实验舱正式入轨服役。
空间站是一个密闭的空间，常年的人员活动、科学实验会释放挥发性有机物进入空气中，危害航天员的生命健康。双通道气相色谱仪可在线监测空间站舱内空气中微量挥发性有机物的种类和浓度，判断环境是否存在异常、空气质量是否符合安全标准，为航天员的生命健康提供保障。
此次随问天实验舱入轨服役的是大连化物所为空间站研制的第二套气相色谱仪。第一套气相色谱仪已于2021年4月29日搭载天和核心舱入轨正式服役，已在轨运行1年以上，保障了我国载人空间站飞行试验任务的顺利开展。
问天实验舱里有这么多的“神奇装置”，那么，问天实验舱本身有什么“黑科技”呢？
问天实验舱的“黑科技”
1.气闸舱：航天员的专用出舱区
空间站任务开启后，我国航天员已经进行了多次出舱活动，天和核心舱上的出舱口名为“节点舱”，兼具航天器对接与停泊及航天员出舱多项功能，舱内设备、管路和电缆较多。问天实验舱升空后，航天员今后出舱活动就有了一个专用出舱区——气闸舱。
据航天科技集团五院空间站系统总体主任设计师张昊介绍，气闸舱是一个内圆外方的舱体，具有舱容更大、舱门更宽、舱内更整洁等特点。未来，气闸舱将成为整个空间站系统的主要出舱通道。
航天员在节点舱的出舱活动空间大概是七八个立方米，气闸舱可以达到十二三个立方米；气闸舱比节点舱更加整洁，舱内只配置了与出舱相关的设备，没有其他管路电缆的羁绊；舱门直径达1米，比节点舱舱门直径大15厘米。
“航天员从这里进进出出，可以更舒展、更从容，还能携带大个头的设备出舱工作，出舱能力大大提升。”张昊说。
问天实验舱共有22个标准载荷接口。未来十年，在空间站搭载的科学实验载荷，可以通过机械臂精准“投送”到自己对应的标准载荷接口位置，“即插即用”，可以不需要航天员出舱进行人工操作。
2.小机械臂：“短小精悍”，可独立完成舱外照料
与天和核心舱一样，问天实验舱也搭载了一个机械臂。相比于核心舱配备的展开长度达10米、最大承载质量25吨的大机械臂，问天实验舱的机械臂要显得更“短小精悍”。
张昊介绍，大机械臂手臂够长，转移范围更大，作业半径近10米；力气够大，简直是一个“大力士”，可以抓住并转移一个完整的航天器。
相比之下，问天实验舱的小机械臂长度约5米，承载能力为3吨，但这个“小手”的设计目的就是抓握中小型设备，进行更为精细化的操作。
比如，它可以在不需要航天员出舱的情况下，独立完成舱外载荷的安装、更换等照料操作，可以有效节省航天员在轨工作负荷。
大小机械臂还可以组合使用，组成约15米长的组合臂，开展更多的舱外操作。“我们可以将大小机械臂视为人的两只手，互相交接东西，协作使用；也可以将两只手臂攥在一起，形成一个更长的机械臂，可以进行覆盖整个空间站表面的一些操作和爬行需求。”张昊说。
3.柔性太阳翼：是目前国内最长最大的一个
问天实验舱所携带的太阳翼，是目前国内最长最大的柔性太阳翼，刷新了我国航天器在轨使用太阳帆板的纪录。
据张昊介绍，问天实验舱太阳翼单翼展开阵面加上一些安装结构，长度接近28米，两个太阳翼全部展开将近56米，比空间站三个舱组合在一起的舱体尺寸还要大，且一个太阳翼阵面面积可达100多平方米，将有效收集更多的太阳能，为空间站运行提供充足的能源。
“这么大的太阳翼单翼发电功率9千瓦，双翼可达18千瓦，日平均发电量超过430度。与核心舱交会对接完成后，可以满足整个空间站的用电需求。”张昊说。
问天实验舱的太阳翼面积大、柔性也大。航天科技集团五院问天实验舱GNC分系统副主任设计师宋晓光说，这个太阳翼只比衣服硬一点，而且采用了双轴控制，在舱体姿态不做调整的情况下，就能随时调整朝向。
空间站在轨建造完成后，天和核心舱的一个太阳帆板将转移到问天实验舱资源舱的尾部，届时，问天实验舱将成为名副其实的“主发电站”，为组合体源源不断地供电送能。
来源：中国化工报，新民晚报，新华网
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