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“问天”成功发射!进入太空的科学实验柜,将如何开展实验?

从此以后,

我们下了一个“死命令”:

走之前不允许和实验柜再见,

不允许合影,

就让它默默地走吧!

 

演讲 | 张璐(中国科学院空间应用工程与技术中心研究员)

 

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

 

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。

 

除此之外,我们还利用了整个实验柜背部的一些狭小空间,把常规的电子学的电缆网,气体、液体的管路集合起来。这相当于在家里装修一样,我们走暗线,设置了很多通用的接口,也保障了整个系统在前面看起来非常整洁。

实验柜控制器“中控室”:小型化、高可靠的动态功率分配与管理

 

我们的“家”有了,接着就要考虑中控和中央空调的问题。实验柜控制器也是基础支撑部分里面非常重要的一块。它就相当于一个中控室,负责我们整个实验柜内部的供配电、通讯、遥测以及所有的资源调度。

 

大家知道,不同科学家的不同科学载荷,他们用电的时间不一样,每次持续的功率、持续的时间也不相同。但是天上的用电和地面上有很大差异。在地面上,你用再多的电都可以。但是在轨的时候,我们一个柜子最多只能提供1500瓦的功耗,而且还要进行动态的分配。

 

如何能够满足科学家们不同科学实验的需求呢?我们开发了这种小型化、高可靠的动态功率分配与管理技术。利用这种技术,就可以动态地通过数字化技术自主调节:当任何一个载荷需要用电的时候,我们能够通过内部自闭环的方式提供合适的功耗和功率,满足它的用电需求。

4Gbps光纤入户,室内千兆以太网

 

目前,我们的科学研究都已经进入了大数据挖掘的信息化时代。相比之前的一些科学载荷,我们希望科学数据也好、图像也罢,它们的数据量更广一些、分辨率更大一些、频率更高一些。

 

为了满足不同科学实验对大数据的需求,我们采用了4G光纤入网的方式。我们首次在轨采用了FC-AE-1553系统,将4G带宽的光纤拉到了每一个实验柜,保证它内部的数据能够非常高速地传输。

 

与此同时,我们在内部布置了一个千兆的以太网,可以让内部的图像信息很好地到达存储设备,保证了设备存储量大、分辨率高。基于这样的技术,与国际空间站100兆的宽带相比,我们整整将速率提升了10倍以上。

热控抽屉——中央空调

 

而热控抽屉就像中央空调一样,不同的科学载荷会有不同的散热需求。如果你不给1500瓦的设备提供合适的散热方式,它在高温下就非常容易出故障。基于这个原因,我们采用了“气液双模”的方式——有的科学家希望设备用液体散热,有的科学家希望它能用风冷散热,于是我们开发出了这种气、液多场自适应快速重构的模块化热控。

如图所示,这么小的模块里面集合了25种不同的阀组和气液传感器,保证我们能够实时地、动态地根据不同的科学需求调节散热方式,包括风的速度,液体的回路流量等。有了这些基础支撑系统,实验柜的通用部分基本上就完成了。

 

入住实验柜的各种要求

 

所有的基础支撑系统构成之后,我们还要完成一项工作。就像入住新房子之前要除甲醛一样,大家知道,空间站是一个密闭空间,而且有3到6名航天员要进去生活,所以对有害气体控制和检测的要求极其严格。

有害气体控制与检测

 

在整个材料的选型过程中,我们尽可能地选用一些足够环保的材料,也对材料进行了气体释放成分的研究。但为了更好地保障航天员的在轨安全性,我们还要采取一些手段。

左:疏;右:堵

 

像大禹治水有疏、有堵,有害气体的控制也是如此。疏是什么意思?即借助高温低压的环境,把一些金属或者非金属材料里的有毒气体抽走,让它排掉;还有一些比较难排走的,我们会采用一些特殊的无毒无害的涂层或者胶带,把它封到里面去。通过这种疏和堵的方式,保证绝对不会有多的有毒气体释放到舱内。

 

同时,所有的载荷,包括柜体和科学设备,它们在上天之前还会进行一次非常精密的有害气体浓度检测,浓度要求几乎是地面实验室能够检测到的最小范围。只有按照这种严格的要求,我们才能保证在轨航天员的绝对安全。

 

除了有害气体甲醛之后,我们还要做“多余物的控制”。大家知道,太空是一个微重力的环境,一旦有多余物的存在,它很容易飘起来,可能会飘到空间站的任何一个位置,对设备产生影响。特别是一些金属类的多余物,如果飘到了电气设备上,还会导致短路等安全性事故。

多余物控制

 

因此,对于常规的固态多余物,我们一般采用图中看到的方式:“听声辨物”。在力学试验前后,在最后出厂之前,我们加入了一些强制的检验点。借助这种旋转的方式,通过人耳去听有没有异响。因为一旦有多余物,它在旋转的过程中就会和旁边的器壁、柜体产生摩擦,发生撞击。通过这种“听声辨物”的方式,我们就能一步一步地进行多余物检测。

 

在液体回路这一块,对多余物的控制更为严格。我们还会进行光谱分析、冲洗分析,保障回路里面也不会有多余物,不会导致散热系统发生相应的卡滞。

 

等做完一切的工作,包括后续力学的、热的、可靠性的寿命实验以后,我们的科学实验系统就可以“入住”科学实验柜了。

 

我们整个实验柜都有一套标准,首先它的对外接口完全统一,所有13个实验柜的接口完全一致。第二它的内部载荷是有规范的。一方面方便国内不同的科学团队、不同的科学家根据规范来设计不同的科学仪器设备,同时这个接口规范是对国际开放的。如果有国际上的科学家想参与咱们中国空间站的实验,也可以按照我们的规范去研制相应的载荷。第三,因为所有的实验柜具备标准的接口设计,所以维修、更换起来非常方便。在轨出现故障之后,可以随时地抽拉出来,进行相应的维修。最后,它还能兼容相应的国际标准。

完成一系列的工作之后,这些科学设备就会入驻到整个实验柜内。左边这张图呈现的是典型的地面上的学科领域实验室。一般来讲,这个实验室可能是20多平米的一个大屋子,里面摆得满满的。

 

科学家们的目的是要将这几十平米的实验室搬到不到2立方米的柜体空间(右图)。他们要进行结构化、小型化的设计,同时还要保障我们的指标国内领先、世界一流。所以我觉得,这中间的辛酸和难度比实验柜的基础支撑部分更大。那这些故事、这些研究就让我们留待科学家自己给大家讲解。

这里我也放了一张整个科学实验柜的“全家福”。大家从它们的外部构型上看,就知道是一家的,对吧?它们是亲兄弟,是集团军。

 

功能多样的科学实验柜

 

既然太空实验这么有意义、这么重要,那这些实验柜能在太空里开展哪些科学实验呢?

我们从学科的角度进行了划分。第一块是生命科学领域的实验柜,然后是与流体燃烧、空间材料科学、基础物理相关的一些实验柜。同时还有最后一大块——公共支持类的实验柜。

 

这只是将实验柜做了大类的划分,它们真正能够支持的科学实验远远不止我们现在看到的这些。在上面这张图里,我们也通过颜色做了一些划分。红色部分是目前已经在轨飞行的科学实验柜,即核心舱的2个实验柜;绿色部分是问天实验舱里的4个科学实验柜;蓝色部分就是我们梦天实验舱将要上天的一些科学实验柜。

 

下面我会对各舱我认为比较有特点的一些实验柜,简单地为大家介绍一下它们分别能开展哪些科学实验。

无容器材料实验柜

 

第一个是无容器材料科学实验柜,它已经在轨运行一年多了。

大家可以看一下这段动画。这里有一个小球悬浮在整个腔体的中间,像不像咱们以前看《西游记》里面太上老君的炼丹炉?它利用微重力以及静电悬浮的方式,让材料在内部熔融、再凝固,可以对材料进行3000度的加温。在熔融和凝固的过程中,我们可以对它进行一些物理特性的测量。一方面我们可以抵消地面的重力,同时还能观察到更多的物理特性。

 

通过这方面的研究,首先我们有望生产一些新材料:比如涡轮发动机上的耐高温的叶片材料。同时我们还能进一步研究基础物性,来改善地面的生产和材料工艺。整个实验柜还具备触发形核的科学探测能力,综合性能优于日本在国际空间站上的静电悬浮炉(ELF)。

左:生命生态实验柜;右:生物技术实验柜

 

我刚刚提到,问天实验舱主要配备了进行生命科学的实验柜。这两个实验柜可以检测空间环境对生命的影响,支持太空中动植物健康生长发育的研究,还能助力一些蛋白新药物的开发。

 

这里面就有大家比较关心的实验,比如我们后续会在太空里养鱼、养螺、养藻,然后还会进行一些小鼠、猕猴在太空中的生长甚至是繁衍的研究。通过这些实验,我们一方面能够了解生物体对微重力环境、太空环境的适应性,同时还可以规划密闭生态等研究:在这种密闭系统里面,我们能够研究碳、氧、氢的循环,试图为人类远景太空旅行中物质的自给自足提供相应的研究基础。

高精度时频系统:最贵实验柜

 

上面这是梦天实验舱最重磅的,也是整个空间站最贵的科学实验柜,它叫做高精度时频系统。我们在天宫二号微波钟的基础上,又增加了一个氢钟和一个光钟。通过这三个钟组的比对,可以长期实现3×10-17稳定度的天基时频系统。

 

可能有人会说:地面上已经到了10-18的稳定度,我们实现10-17的意义在哪儿?其实它的意义非常重大,如果我们成功了,意味着这将是全世界首个在天基环境下自主可控的时频系统。比如北斗系统上用的是氢钟,它的频率稳定度可能到10-13。当我们能在天基中实现10-17之后,不管是天基的授时精度,还是我们的导航精度都会得到极大提升。同时它还能支持很多基础科学的研究。

在线维修装调操作柜

 

最后介绍的这个实验柜是我自己负责研制的,它叫在线维修装调操作柜。在这个实验柜里面,科学家会进行一些维修操作:当其他实验柜发生故障的时候,我们就能到这个实验柜里进行相应的研究。

大家知道,在微重力的环境下,航天员的运动其实是非常复杂、艰难的。为了让航天员在轨时更加舒适,我们在这个实验柜中开发了一种智能诱导维修系统。

 

我们采用增强现实技术(AR),把需要维修或者操作的场景通过虚实叠加的方式投射在航天员的眼镜上,借助语音、动画及文字的引导,让他可以很清楚地知道第一步要做什么、用什么工具、怎么做。基于这种技术,我们能让航天员非常轻松地操作一些不熟悉或者之前没有操作过的工作。

 

后续我们还会开发天-地专家系统,通过实时的天地网络,让航天员看着地面专家的指导来进行相应的研究。

 

难忘的8.75天:一个不可能完成的任务

 

实验柜的研制难度极大,然后时间周期又非常紧。有时候大家会问:你们做实验柜的过程中,最难忘的是什么?

 

我觉得最难忘的,可能就是2020年国庆前的那一次8.75天的奋斗。当时所有核心舱的实验柜在天津厂房完成了相应的研制,它们要返回我们的大厅进行最后的状态设置和测试。

 

工程和科学最大的区别是前者有非常强的时效性。我们只有8.75天的时间,要完成上百道工序的研究和测试。所以大家基本是按0.5个小时去排节点的,所有人员提前4个小时到位。我们开始认为这是不可能完成的,但在大家的共同努力下,最终完成了相应的研制。

 

有一件事让我印象非常深刻。当我们把柜体从集成大厅拉到电测大厅中间,在短短的3分钟内,已经有好几个员工在地上睡着了。大家拼的这股劲,就是为了保证把实验柜送上天,让我们在太空里更好地开展科学实验。大家硬是完成了这个不可能完成的任务。

这张照片就是当时大家熬了好几个晚上之后拍的。因为我们为之奋斗了十年的柜子要走了,大家都依依不舍地拍照留念。但后来也成了我们的“禁忌”。因为我们发现,基本上所有合过影的柜子在送出去之后,都会由于各种各样的问题返回来(笑)。所以从此以后,我们下了一个“死命令”:走之前不允许和实验柜再见,不允许合影,我们就让它默默地走吧!

后来所有实验柜走的时候,我们只会远远地拍一下车送它们走的照片。我们跟它们说的是“永别”——希望下次“见到”的时候,我们在地面上,而这些柜子在天上,不要再回来折腾大家一次。

 

我们的未来在地球之外

 

实验柜送走了之后,我们研制团队还能做什么工作呢?其实,上去的科学实验柜它只是一个研究的平台,给我们留下来的工作更多。

我们要进行上千项包括空间科学、空间应用还有空间技术在内的研究。我们正准备和中国科学院天津工业生物技术研究所的团队进行太空合成生物学的研究,希望利用工程技术和科学技术,在太空里合成一杯糖水。在足够安全的情况下,看看能不能让小动物甚至是航天员尝一尝它的味道。这也是为了解决未来深空探测领域面临的食物问题。

 

空间站让我们离开了地球,能够开展更多的空间探索。但我觉得,咱们人类的脚步不会永远停留在地球的附近,我们还会去到月球、火星以及更多的地外星体。

所以我们也规划了月球科研站。利用前面所说的密闭生态的技术,我们可能会做一个舱,研究如何用一个舱满足人类在地外星体上一些生存物质的循环保障,让航天员有更好的食物等。

 

同时,我们还可能会利用维修柜的一些技术,在轨进行太空工厂的研究和研制,然后到月面或者火面的开展原位的资源利用。

 

我相信在大家共同的努力下,人类一定会去到更多的地外星体,满足人类对未知世界的探索、对未知世界的渴望。我希望有越来越多的人加入到我们这个团队,跟大家一起见证人类的理想,以及奔向星辰大海的征途。

 

谢谢大家!

本文经授权转载自微信公众号“格致论道讲坛”。

 



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