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雷达卡
大家好，我是张璐，来自于中国科学院空间应用工程与技术中心。非常感谢格致论道讲坛的邀请，今天我分享的题目是《空间科学实验柜“炼”成记》。
为什么要去太空做实验？
大家都知道，2021年是咱们空间站的建设元年。2021年4月29日，天宫空间站天和核心舱发射升空，今年（2022年）下半年，我们的问天实验舱和梦天实验舱也会陆续升空。届时，它们将形成三舱组合体的形态。
为了建成咱们国家的太空实验室，我和我们团队研制了用于太空实验的科学实验柜。大家可能会问：为什么我们要去太空做科学实验？地面上有很好的设备、很好的条件，为什么一定要上太空呢？其实，天地之间的实验会有很大的不同，我们来看两个例子。
▲ 左：2022年5月 地面点火
右：太空点火
左边这张图是我们在地面上用中国的燃烧科学实验柜进行的一项点火实验，右边展现的是国际空间站在太空进行的点火实验。从这两幅图中可以看到，火焰的形貌和燃烧的特点都大不相同。
▲ 左：地面-水稻、拟南芥
右：天宫二号-水稻、拟南芥
这两幅图是我们在天宫二号进行的高等植物生长实验。这两个设备采用的是天地比对的方式：它们所有的实验条件是一样的，包括光照、湿度、温度以及使用种子的批次等。但是天地之间的差异非常明显。
大家可以仔细地看一下，天宫二号的水稻叶片上有非常明显的吐珠现象；更有意思的是，不管是水稻还是拟南芥，它们在太空中的寿命都比地面上的长很多。通过前面的两个例子，我们来回顾一下为什么要上太空去做实验。
首先，空间站能够提供长期的微重力水平，这里我们重点强调长期。虽然在地面上，我们可以利用落塔或者抛物线飞机形成短时的微重力；但只有在空间站或者是空间科学卫星这样的条件下，才能获得非常长期的微重力环境，来以此进行一些生命科学还有其他需要长时间微重力环境的研究。
同时，空间站内的亚磁、辐射等综合环境会让我们看到一些新的生物学、物理学现象。通过对这些现象的研究，我们有望了解一些基本的物质规律，然后据此进一步地改善人类地面的生产或者是生活活动。
相比于其他形式的空间探索，空间站最重要的一点是有人参与。在有人参与的情况下，航天员可以非常方便地进行实验操作和操控，我们上下行的实验样品和生活物资也能很方便地交接运行。
那么，我们要如何在太空中做实验呢？我们已经有了科学卫星、神舟飞船，然后还有天宫一号、天宫二号这样的太空实验室。那时，我们做的更多是一些单个项目的、单一载荷的科学实验。
但是到了“空间站时代”，每一个科学实验柜都相当于一个综合性领域的实验室。在这个实验柜里面，我们可以从事单一学科领域的科学研究，还能面向多学科交叉的领域。每一个实验柜不仅仅是做那么一两项科学实验，它可能会承担几十项、几百项的科学实验，这样也就极大地拓展了我们太空实验的机会。
打造像家一样的实验柜
已完成：20% //////////
我们先来认识一下空间科学实验柜。
▲ 左：国际空间站
右：中国空间站
这两幅图是一个很好的对比，俗话说“没有对比就没有伤害”。左边这个是国际空间站，大家可能会感觉里面非常零乱：前面有很多盘根错节的线缆、管路，甚至还有一些光纤。此外，每个实验柜的形状其实是不一样的，我们把它们称之为“异姓兄弟”。在前期它们只做了一个简单的约束，缺少统筹或者说集体的规划。
右边是咱们中国的空间站，它看起来就非常整洁。每次航天员去之前或者回来之后，都会打扫得干干净净。
为什么两个实验柜系统会有这么大的对比？因为在做初期系统设计的时候，我们就针对每个科学实验系统的共性技术，比如整个结构的安装，一些电子学需求、热控需求等，提炼出了一套基础支撑系统。有了这些共性的技术以后，每个实验柜的基础支撑部分基本相同，所以它们看起来就像“亲兄弟”。剩余的用于科学探测的部分，就由我们的科学家团队去研制了。
基础支撑部分里的第一部分也是非常重要的一部分，就是实验柜的主结构，我们将其称为“实验柜的房子”——所有的科学设施都要装在这个房子里面。上面这张图看起来就像一个很普通的柜子或者说架子，但是科学家给我们提出的一个难题：要求它既轻便又牢固。
大家知道，轻便和牢固这两个概念本身就是矛盾的：如果轻，那很容易就做得不牢固。科学家为什么要求“轻”呢？他们希望我们的柜体可以尽可能多地装一些科学设备的载荷，能进行更多的科学研究。
为了满足科学家们“又轻又牢固”的需求，在实验柜建造初期，我们首先要进行材料的选型。针对不同位置的需求，我们要选择一些既轻型，然后整个结构的刚度、强度又比较好的材料。
在每一个材料的连接关系上，我们都要进行相应的分析，保证它能够满足火箭或者平台力学的一些边界条件。基于这些边界条件，我们得进行几百次甚至上千次的仿真和力学实验的验证。上图就是我们仿真和验证的过程。
大概在2016年年底，整个基础柜的构型基本上达到了科学家的需求，我们能够满足13个不同的科学实验系统的结构安装、供电接口、散热接口的设计等。我们以为结构设计已经完成了，但非常不幸的是，2017年我们的长征五号遥二火箭发射失利了，而长五系列火箭正是我们用于发射空间站的火箭。
▲ 结构本体质量：109.7千克→97千克载荷/结构承载比超过国际同类设施2倍以上
基于这个原因，我们在基础柜已经定型的情况下，又进行了新一轮的减重设计：再一次仿真，再一次实验。大家可以看到，我们整个柜体上做了很多镂空的设计，这就是减重部分；然后我们又在很多局部的地方进行了加固处理，这样就能保证又轻又牢固。基于以上设计，我们才能成功地把科学实验系统带上天，同时满足实验发射的一些需求。
京公网安备 11010802022788号
