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    夢天實驗“神器”揭秘

    來源:中國科學報 高雅麗  發表時間:2022-11-1 10:14:21   瀏覽:

      北京時間2022年10月31日15時37分,搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭,在我國文昌航天發射場準時點火發射,約8分鐘后,夢天實驗艙與火箭成功分離并準確進入預定軌道,發射任務取得圓滿成功。這是中國天宮空間站三艙T字構型組合體的最后一個部分。

      夢天實驗艙主要面向微重力科學研究。中國科學院作為國家戰略科技力量主力軍,研制了超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學實驗柜、兩相系統實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學實驗柜、在線維修裝調操作柜等7個方面的8個科學實驗柜,能夠在微重力基礎物理、空間材料科學、微重力流體物理與燃燒科學等方向開展相關的科學實驗和應用研究。

      中科院空間應用中心研究員、空間應用系統副總師劉國寧告訴《中國科學報》:“夢天實驗艙裝載的8個科學實驗柜已經規劃安排約40個科學實驗項目,后續將根據實驗規劃持續開展在軌實驗,預期能夠產出具有國際水平的科學成果,揭示重要科學規律,并同步推進應用和技術轉移,進一步推動我國空間科學整體水平的提升?!?/span>

      超冷原子物理實驗柜:提供更高精度檢驗 

      超冷原子物理實驗柜是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺,主要利用空間微重力環境條件,建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)工作物質的開放實驗系統,開展前沿基礎物理研究。

      中科院上海光學精密機械研究所副研究員、超冷原子物理實驗柜科學實驗系統副主任設計師汪斌表示,超冷原子物理實驗柜有望制備地面無法實現的絕對零度以上千億分之一度范圍內(10~12K量級)的超低溫量子氣體,觀測到肉眼可見的宏觀量子現象,原子之間相互作用時間增長3個數量級以上。

      “具有這些特性的原子氣體給我們提供了一個獨特窗口和全新視角來直接觀察其獨特的原子行為,讓我們以地面上不可能的方式進入量子力學的奇異世界,為基本物理定律提供更高精度的檢驗?!蓖舯笳f。

      高精度時頻實驗柜:開展基礎物理研究 

      高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜,是由2個艙內科學實驗柜和4臺艙外設備組成的一個完整實驗系統。

      “高精度時頻實驗柜主要是通過不同特性的原子鐘組合,在空間站構建超高精度時間頻率產生和運行的系統,開展基礎物理理論檢驗,并支持通過微波和激光傳遞鏈路向地面提供超高精度時間頻率信號?!敝锌圃簢沂跁r中心主任,高精度時頻實驗柜科學實驗系統指揮、責任科學家張首剛說。

      高精度時頻系統將為相關基礎物理研究、相關工程應用、我國標準時間和國際原子時精度的提高作出重要貢獻。

      張首剛表示,應用高精度時頻系統提供的超高精度時間頻率信號,可以開展相關基礎物理研究實驗,如引力紅移的測量、精細結構常數變化的探測等,支撐相對論及相關理論的高精度檢驗。該系統可以同步重大科技設施和工程技術設施的各部分時間,改善重大設施性能,未來有可能填補洲際地面光鐘比對技術空白,支撐時間單位“秒”定義的變更。

      燃燒科學實驗柜:完善燃燒基礎理論 

      燃燒科學實驗柜是能夠支持在軌開展微重力燃燒基礎科學研究的一套科學實驗系統。該系統中氣體供給、點火燃燒、圖像拍攝、廢氣排放等燃燒實驗流程可以全自動進行,能夠測量火焰形貌、結構、溫度、速度、產物組分等信息。

      燃燒科學實驗系統搭載了一套PIV(粒子圖像測速)技術設備,是國際上首次利用該技術在空間站環境中開展燃燒速度場測量。燃燒科學實驗柜可以幫助科學家對燃燒基礎科學問題、空天推進、航天器防火滅火、燃燒污染物控制等基礎及應用技術展開深入研究。

      高溫材料科學實驗柜:為空間材料科學提供先進技術 

      中科院上海硅酸鹽研究所研究員、高溫材料科學實驗柜科學實驗系統主任設計師劉學超介紹,高溫材料科學實驗柜為空間材料科學研究提供了多樣化的先進技術條件和功能,便于材料科學家在太空中進行高溫金屬及合金材料、先進半導體材料、功能晶體材料、復合材料、能源材料、生物材料、納米材料和新材料研究。

      “X射線透射成像實時觀察是高溫材料柜的又一特色,是國際上首次在空間站上行X射線實驗裝置,可以實現材料熔融凝固過程的動態實時成像與實時觀察?!眲W超說。

      高溫材料科學實驗柜首批上行了16支科學實驗樣品,研制團隊對每個上行樣品在地面進行了大量的匹配實驗,并設計了具有抗力學振動功能的3個高溫材料樣品貨包。

      流體物理實驗柜:揭示流體運動新機制 

      流體物理實驗柜主要用于空間微重力環境中流體的宏觀、微觀運動規律研究,配置了10套宏觀尺度的流體動力學測試系統和4套微觀尺度的復雜流體測試系統,還配置了專門的主動懸浮隔振系統,可使實驗系統的環境微重力水平比空間站本底好100倍。

      中科院力學研究所研究員,流體物理實驗柜科學實驗系統主任設計師、責任科學家康琦說,微重力環境為流體創造了近乎理想的各向同性研究條件,在失重環境中流體可以形成地面無法構建的新體系,流體的運動表現出許多新規律、新機制。

      流體物理實驗柜可開展多種流體體系的動力學過程、擴散過程,相變及自組織行為的在軌微重力實驗,超越了國際空間站3個已有的專用流體實驗柜形成的綜合測試手段和能力,它將成為國際上技術最完備、設備最先進的空間流體物理實驗平臺。

      兩相系統實驗柜:為空間應用流體物理提供新理論 

      兩相系統實驗柜是國際首個專門用于開展空間相變界面流動、蒸發與冷凝、沸騰和熱管傳熱、兩相流動、空間在軌流體管理等科學研究與技術驗證的整柜級實驗平臺。

      依托該實驗平臺開展系列空間科學實驗研究,可以發展熱、質交換復雜界面動力學科學理論,為解決我國載人航天工程和深空探測活動中遇到的空間應用流體物理及其兩相系統關鍵科學問題和工程技術研究提供新理論、新概念和新方法。

      整柜設計具有我國空間實驗裝置平臺的獨創性和先進性,可滿足未來10年以上多相流與傳熱研究的空間實驗需求。實驗柜的3個首批實驗項目將開展與歐空局之間的國際合作研究,提高我國空間站應用研究的國際影響力和應用效果。

      在線維修裝調操作柜:太空“維修工廠” 

      夢天實驗艙設置的在線維修裝調操作柜(以下簡稱在線柜),是一個太空“維修工廠”。

      中科院空間應用中心研究員、在線維修裝調操作柜主任設計師張璐說:“在線柜最核心的部分就是多功能操作箱,前面有個透明的面板,可以看到箱內環境,也可以通過面板上的兩個操作孔,利用手套,從外部對箱體內的載荷進行操作,或者把透明面板打開,直接對里面的載荷進行操作?!?/span>

      同時,在線柜還裝有一套風路循環系統,可以同時實現風冷散熱、廢棄顆粒物的吸附和部分氣體的吸收處理。箱體里配備有一套靈巧的“機械手”,可以實現多種類的精密操作,操作精度可以達到0.1毫米。

      “在線柜還有一套基于增強現實技術的智能誘導維修系統,航天員如果需要維修操作一些復雜的設備,可以不再使用傳統的說明書、操作手冊等產品,而是選擇戴上增強現實眼鏡,配合誘導維修軟件的指引,在真實的待操作產品上疊加預先制作好的操作指引動畫,使航天員能夠更輕松、更清晰、更直觀地完成操作?!睆堣凑f。

      (原載于《中國科學報》 2022-11-01 第1版 要聞)
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