【科学强国】问天实验舱升空 飞入太空的实验室有何用途？

　　7月24日14时22分，中国空间站问天实验舱在海南文昌航天发射场由长征五号B运载火箭成功托举升空。约13个小时后，问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口。25日10时03分，神舟十四号航天员乘组成功开启问天实验舱舱门，顺利进入问天实验舱，这也是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。

问天实验舱发射 图源：新华网

　　问天实验舱全长17.9米，发射质量23吨，由工作舱、气闸舱及资源舱三部分组成。外壁两侧挂着1.2吨重的太阳翼系统、头上顶着近1吨的对日定向装置与桁架组件、肚子里还装载了近2吨重的推进燃料储箱……

　　它的成功发射，是中国天宫空间站建设又一重要里程碑，标志着中国天宫空间站“在轨建造”阶段的正式开启。这个重达20吨、全长17.9米的航天器，是目前世界上轴向长度最长的单体载人航天器，代表中国又一次创造了世界航天新纪录。

　　空间生命科学的研究

作为国家太空实验室的重要组成部分，问天实验舱可支持开展单学科或多学科交叉的空间科学实验，是一个集平台功能与试验载荷功能于一体的“全能型”选手。

　　空间生命科学是空间科学研究的重要领域之一，一方面可以利用空间的特殊环境，研究生命的奥秘；另一方面也是人类离开地球、走向太空的重要支撑性基础科学研究。

　　在该领域，国外从20世纪70年代开始，就已经凭借空间站技术的垄断开展了近半个世纪的研究。

　　NASA曾在2020年发布了国际空间站运行20年的20大科学突破，其中就有6项研究与空间生命科学相关，包括阿尔茨海默病、帕金森、癌症等基础疾病研究、新型药物的开发以及航天员长期太空生活的影响与应对方法研究等。

图源：中国载人航天微信公众号视频截图

　　今天，我们终于有了问天实验舱——属于中国的空间生命科学实验室，有了探索生命科学最前沿的基础条件。中国成为当今世界上仅有的两个具备空间生命科学研究基本条件的国家之一。

　　在问天实验舱的工作舱内，搭载了8个实验柜机位，部署了生命生态实验柜，生物技术实验柜等4个科学实验机柜。利用空间站的高真空低位重力、宇宙辐射等环境，人可以参与开展大量的科学实验。

　　在问天实验舱气闸舱外的暴露平台，还配置了22个舱外载荷适配器。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”，不再需要航天员出舱进行人工操作了。此外，问天实验舱将在气闸舱外携带一套5米长的小型机械臂，活动范围半径最大为5米，主要担负了精度要求更高的操作。

　　将展开哪些实验研究

　　据载人航天工程空间应用系统副总师、中科院空间应用中心研究员吕从民介绍，问天实验舱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等4个领域方向规划部署了10余个研究主题，已立项40余项科学项目。随着此次问天实验舱发射，微重力条件下高等植物培养的实验研究将陆续在轨开展。空间站建成后将持续论证、滚动实施相关科学项目。

图源：中国载人航天微信公众号视频截图

　　“为了支撑相关领域科学实验开展，问天实验舱内部署了多个宽约1米、高1.8米、深0.8米的科学实验柜，包括生命生态实验柜、生物技术实验柜、变重力科学实验柜、科学手套箱和低温存储柜等。”吕从民说。

　　吕从民介绍，生命生态实验柜将开展拟南芥、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验，揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响，促进人类对生命现象本质的理解。

　　——生物技术实验柜以组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象，开展细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源和空间生物力学等实验，探索微重力环境下细胞生长和分化规律和机制，为人类健康、生殖发育提供理论基础，探索重力效应对生命起源和进化影响等。

　　——变重力科学实验柜为科学实验提供0.01G至2G高精度模拟重力环境，采用先进的无线传能和载波通信技术，支持开展微重力、模拟月球重力、火星重力等不同重力水平下的复杂流体物理、颗粒物质运动等科学研究。

　　——科学手套箱提供洁净密闭空间和温湿度环境控制，配置灵巧机械臂具备细胞级精细操作能力，为航天员操作多学科实验样品提供安全、高效支持；从-80℃到4℃的低温存储柜，能够满足不同实验样品的不同温度需求。

　　——实验舱外部署能量粒子探测器、等离子体原位成像探测器，用于获取空间质子、电子、中子、重离子和等离子体等环境要素数据，为航天员健康、空间站安全运营提供保障支持，并可用于空间环境基础研究。

　　空间应用系统副总师、中科院空间应用中心集成技术中心主任王珂说，除按航天标准研制先进可靠的科学实验柜等设施外，每一个空间项目还需要事先进行深入的科学研究、事后对数据和实验样品进行高水平分析，“空间科学和应用研究不仅可以帮助我们理解基础的物理学和宇宙学规律，同时通过生物、医学、材料学等研究提升人类在地球上的生活质量，而且可为人类未来走向深空而做一些知识和技术上的储备。”

神舟十四号航天员陈冬（中）、刘洋（右）、蔡旭哲向全国人民敬礼的画面。图源：新华网

　　中国空间站开启“双舱”模式

　　作为中国空间站的首个实验舱，问天不仅能够探索空间生命科学研究，还进一步提升了空间站的可靠性，改善了航天员在轨生活条件。其独特的科学设计，以及所携带的“独门神器”，还将成为深空探索的有力支撑。

　　据介绍，问天实验舱与天和核心舱互为备份，关键平台功能一致，可以完全覆盖空间站组合体工作要求，既发挥定海神针般的双保险作用，也为空间站未来15年可靠运行打下坚实基础。

　　“两舱对接组成组合体后，由天和核心舱统一管理和控制整个空间站的载人环境，一旦天和核心舱出现严重故障，问天实验舱能够快速接管，主控空间站。”航天员中心问天实验舱环控生保分系统主任设计师罗亚斌说。

　　一个更重要的细节是，问天实验舱配备了目前国内最大的柔性太阳翼，双翼全部展开后可达55米。太阳翼可以双自由度跟踪太阳，每天平均发电量超过430度，将为空间站运行提供充足的能源。

　　同时，问天实验舱的气闸舱与天和核心舱的节点舱之间、航天员系统的舱外服支持设备之间也相互备份，确保航天员出舱活动的可靠性和安全性。

　　问天舱内还设有3个睡眠区和1个卫生区。太空家园从“一居室”升级到更宽敞的“两居室”，可以支撑神舟十四号、十五号两个乘组6名航天员实现“太空会师”和在轨轮换，在太空面对面交接工作。

　　在生活物资方面，问天舱还配备了丰富的乘员产品，包括太空厨房、充电类的设备等。两套厨房设备，给航天员生活带来很大的便利。在天和核心舱的基础上，问天实验舱在吸音、降噪、减震等方面也进行了优化升级。

　　按照计划，问天实验舱在完成有人条件下的对接后，还将进行转位操作，开展宇航员出舱活动，以及小朋友们最期待的、也是空间站的保留项目“太空授课”活动。

图源：央视新闻

　　汉代王逸在《楚辞天问》序中首次提到了“问天”：“《问天》者，屈原之所作也。何不言问天？天尊不可问，故曰天问也。”古人问天，充满了对历史兴亡的慨叹和对宇宙规律的思考；而今人问天，彰显了探索浩瀚宇宙，建设航天强国的攀登精神。

　　问天已经部署，梦天即将到来。据报道，按照真空热试验大纲要求，梦天实验舱目前已经依次完成了全部工况试验，并在试验过程中穿插开展了密封舱内有害气体采集测试和噪声测试，为其出厂奠定了坚实基础。

今年底前，随着梦天实验舱升空，建设完成的中国空间站，将成为国家太空实验室，携带14亿人的深空梦想，开启全新的求索之路。

　　（中国小康网综合新华网、新华每日电讯、央视新闻、央广网、科技日报等报道）

　　编辑：风华

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