每个样品完成无容器悬浮状态的加热熔化、参数测量、过冷凝固等实验过程后，通过位置控制将悬浮样品移动到样品回收入口处，然后通过前后推杆将样品夹持住，最后推送到样品盒内的样品存储位置。
目前，核心舱组合体已经在轨运行一个多月，并顺利开展了一系列工作。按计划，后续将陆续发射问天实验舱和梦天实验舱，与核心舱组合成一个T字形构型，建成国家级太空实验室，支持开展大量科学研究和实验。作为太空“顶流”的“国货之光”——太空实验室里究竟有什么，又如何在太空中开展实验？现在就带你研究！
01 太空实验室里有什么？
高洁净、高真空、微重力……这些得天独厚的优势为科学家们在太空中开展科学实验提供了有利条件。在此前的飞行任务中，特定的、明确的科学实验，需要的实验装置属于“专人专用”，一个能够满足不同学科、不同领域的通用型“太空实验室”成为科学家们向往的“神仙之地”，而中国空间站正在实现这个目标，未来，站上的每个实验柜都将是一个高功能的小型太空实验室。
实验柜是空间站舱内实（试）验任务开展的主要支持设施。每个实验柜都是一个专业学科或研究领域的实验研究平台，满足不同学科、不同领域空间科学实（试）验开展的需求。
作为国家级太空实验室，中国空间站还将在舱内、舱外部署众多重大科学设施，用于支持空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理等广泛领域的空间科学实（试）验研究，在轨期间预计可滚动实施近千项实验项目，中国空间科学研究与应用的新时代即将开启。
02 第一梯队都有谁？
4月29日，天和核心舱搭载了“无容器”和“高微重力”两个科学实验柜顺利进驻太空，成为在轨第一梯队成员。目前两个实验柜已经完成基本功能测试，并陆续开展实验。
高微重力实验柜：双层“隔振”挑战极限
2013年，神舟十号航天员乘组在轨期间向公众直播了微重力状态下的“真人秀”。指令长聂海胜盘起腿，玩起了“悬空打坐”。王亚平用手指轻轻一推，聂海胜缓缓向远处飘去。
对于科学实验而言，太空中的微重力环境能够提供地面难以企及的极限条件，有望获得新发现。但在轨运行的航天器不仅会受到地球引力的影响，也会受到太阳光压、大气阻力等多种因素影响。因此，舱内微重力环境并非绝对意义上的微重力。一般而言，空间站的微重力水平大约在
10-3g至10-5g。而高微重力科学实验柜将微重力水平提升了两个数量级，达到10-7g水平，这是怎么做到的呢？
高微重力柜中的悬浮实验台是实现高微重力环境的关键设备，其外体通过喷气控制姿态和位置，隔离外部各种扰动力，内部是电磁悬浮实验台，用于安装科学载荷，航天员可以通过界面来操作实验台。
其核心工作模式有两种。第一种为“柜内磁悬浮控制模式”，也被称为“单层主动隔振模式”。外体固定在实验柜中，内体通过主动隔振控制实现10-6g的微重力水平。第二种为“柜外跟随控制模式”。内外体实验系统整体在核心舱的空间内飞行，外体用控制回路对内体进行姿态、轨道跟随。内体不受引力以外的力，就能够实现10-7g的高微重力水平。
高微重力实验柜是国际上首次在空间站舱内采用双层悬浮的模式实现内体的高微重力水平。高微重力实验柜后续主要用于开展相对论物理实验和引力物理实验，包括2022年将开展的国际上首次原子层面的相对论弱等效原理检验，将助于我们在物理规律上的持续探索。
无容器实验柜：纯净“液滴”不是梦
除了高微重力实验柜以外，空间站第一梯队里还有一位重要角色——无容器实验柜。
“无容器”状态，是材料科学家梦寐以求的一种实验条件。一幅直观而形象的画面有利于理解这一状态：熔融的金属或者非金属材料成为一个液滴，漂浮在空中。这时，“液滴”不会因为和容器壁接触而受到污染，“纯净”的材料则能够在较低温度下仍然保持液体状态。“无容器”环境下，有望实现对“深过冷凝固过程与机理”研究、新型功能材料制备研究等。
无容器，最关键是要让物质克服重力，脱离与周围物质的接触。在太空中主要通过静电悬浮的手段，实现“无容器”的关键点是：浮得住、控得稳，就是要能将样品稳定、精确地悬浮在实验位置，以此获得稳定的样品状态。
无容器实验柜采用批量样品盒，一个样品盒能容纳多个样品。每个样品完成无容器悬浮状态的加热熔化、参数测量、过冷凝固等实验过程后，通过位置控制将悬浮样品移动到样品回收入口处，然后通过前后推杆将样品夹持住，最后推送到样品盒内的样品存储位置。
目前无容器实验柜上安排了9项空间材料科学实验。航天员对无容器材料实验柜的在轨操作主要是进行样品盒更换。实验过程中主要通过指令执行，地面工作人员可以实时监控实验开展。
对于有志于太空科学实验的中国科学家来说，中国空间站将为他们提供前所未有的实验平台。与此同时，中国空间站国际合作大门也向全世界敞开。空间站阶段，大国重器震撼登场，让我们一起见证，“强出天际”的“国货之光”，为人类空间探索作出的中国贡献！
来源/中国载人航天微信公众号
