“就在我頭頂。”2023年9月21日，在“天宮課堂”第四課上，神舟十六號航天員桂海潮指著超冷原子物理實驗柜說，“它可以實現地面無法實現的溫度，并制備出接近絕對零度的超低溫物質，這種物質的原子會呈現特殊的狀態，用于更好地探索量子力學的奇異世界。”

在中國航天員于正式運行的國家太空實驗室給孩子們講課的同時，中國科學院空間應用工程與技術中心（以下簡稱“空間應用中心”）研究員張璐正在電視臺“天宮課堂”的直播現場，給孩子們深入講解國家太空實驗室里的高科技。

張璐等來自中國科學院的科學家屬于最了解太空實驗的一群人，他們為國家太空實驗室的誕生提供了強有力的科技支撐。

屏幕前，全國各地的孩子看著直播畫面，聽著科學家的講解，眼里滿是期待與驚喜。

中國空間站國家太空實驗室。

把實驗室搬進太空

國家太空實驗室是依托中國空間站建立的國家級太空研究平臺。回溯中國空間站建設的歷史可以發現，建立國家太空實驗室是中國早在30多年前就已明確的目標。

1992年，我國批準實施載人航天工程，明確“三步走”戰略——

第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；

第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；

第三步，建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

“造船為建站，建站為應用”，這是我國載人航天工程建設發展的初衷。而“太空實驗”是“應用”的重中之重，也是“三步走”戰略實施過程中一直努力的方向。

在1992年中國載人航天工程確立之初，國家就把載人航天空間科學與應用的重任交給了中國科學院，由這支科技“國家隊”負責相關任務的論證、立項與實施。

在載人飛船階段，中國科學院組織開展了當時規模最大、領域最廣的空間科學與應用計劃，28項空間科學實驗均為國內首次開展，在我國空間生命、材料等基礎研究方面起到了開創奠基作用。

在空間實驗室階段，中國科學院組織開展了50余項科學實驗與技術試驗。其中，我國研制的世界首臺空間冷原子鐘達到10-16秒量級的超高精度，伽馬暴偏振儀等項目也取得了國際領先的研究成果。

2021年，中國空間站迎來建設元年。這年4月29日，天和核心艙被長征五號B運載火箭送入太空，中國空間站在軌組裝建造由此開啟。中國科學院組織全國相關科技人員，在空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術與應用四大領域，規劃布局了覆蓋面廣泛的研究項目，研制了一批具有國際一流水平的科學實驗機柜和艙外設施。

作為中國空間站實驗規劃和實驗柜研制的參與者，來自空間應用中心的科研人員常被問到“為什么要把實驗室搬進太空”。

每次遇到這個問題，載人航天工程空間應用系統總指揮助理、空間應用中心研究員張偉都會認真作答：“我們要探尋‘我們是誰’‘我們從哪里來’，了解生命、宇宙的起源與演化；我們也要回答‘我們到哪里去’，如果地球未來不適合人類生存了，我們就需要找一個地外的生存空間。此外，我們還可以讓太空資源為人類所用。”

在他和同事看來，前往太空、探索太空，既是人類好奇心的驅使，也是人類發展的終極需求，而空間站為人類邁向宇宙奠定了基礎，是人類開展太空探索、開發太空資源的前哨平臺。

“太空實驗室能夠為我們提供很好的研究條件，比如長期的微重力、輻射條件，讓我們可以研究這種環境下新的生命科學、物理科學現象，研究產生這些現象的機理，掌握未來人類長期在太空生存需要采取的措施。”張偉說。

向著明確的目標、帶著美好的期待，2022年中國空間站迎來了忙碌的一年。2022年7月25日，問天實驗艙與天和核心艙成功對接；2022年11月1日，夢天實驗艙成功對接；2022年11月3日，夢天實驗艙順利完成轉位，中國空間站“T”字基本構型在軌組裝完成。

建成后的中國空間站成為一座國家太空實驗室，也成為中國航天史上規模最大、長期有人照料的空間實驗平臺。其中，天和核心艙主要面向航天醫學、空間科學實驗和技術試驗；問天實驗艙主要面向空間生命科學研究；夢天實驗艙主要面向微重力科學研究。

“方寸”之間顯身手

當2023年8月18日中國國家太空實驗室宣布正式啟用時，張璐、張偉心里說不出的激動。“把實驗室搬進太空”，是無數科研人員經過無數次嘗試和努力的結果。

中國空間站三艙部署的實驗機柜與一系列艙外設施，可開展上千項科學實驗。其中，生命生態實驗柜、流體物理實驗柜、無容器材料實驗柜、高精度時頻實驗柜、高微重力科學實驗柜等14個科學實驗柜均由中國科學院牽頭完成。

空間站科學實驗柜及其分布情況。

這14個實驗柜有共同的研制難點。

難點之一是“小”，研制實驗柜相當于把在地面上一整間屋子里的實驗裝置，塞進不到兩立方米的柜子里；難點之二是實驗柜要既輕便又牢固，用最小的重量搭載最多的科學載荷，以便未來能夠承載更多的科學研究；難點之三是要有科學前瞻性，能滿足后續十年的科學實驗需求。

每一個科學實驗柜都相當于一個綜合性實驗室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、寬1.1米、深0.9米。“技術創新是唯一的辦法。”張璐說。

科研團隊針對實驗柜進行了幾百次仿真和力學試驗驗證；他們在柜體上進行了大量的減重優化設計，又對局部進行加固處理，滿足發射需求。通過多輪次“材料優選、輕量化設計、仿真分析、力學試驗驗證”的迭代，實驗柜在柜體主結構不到100公斤的情況下，承重能力達到500公斤，比國際空間站實驗柜高出兩倍以上。

此外，在科學研究規模越來越大、科學設施越來越復雜，以及學科之間不斷交叉融合的當下，科學家和工程師的合作越來越重要。早在2011年，中國科學院就開始征集空間科學實驗項目建議，從而最大限度地確保實驗項目的前沿性和前瞻性。“當時有500多個項目建議，我們從項目建議中提煉出需求，再歸納總結形成實驗裝置的設計方案。”張偉感慨，“科學家就像大腦，需要醞釀出一個科學想法；工程師就像雙手，把科學想法變成現實。”（記者倪思潔 高雅麗）

（未完待續）

責任編輯：魏敏