科学“天宫” 筑九霄之上

张智慧

中国载人航天工程经过近30年的发展，圆满完成“三步走”发展战略前两步的任务目标，并掌握了载人航天三大基本技术：天地往返、空间出舱和空间交会对接。自此，中国载人航天工程具备了建造空间站的能力，中国空间站顺利拿到了通往太空的通行证。

解构“天宫”

“天宫” 空间站主体由1个核心舱、2个实验舱组成，呈T字形的构型，总重量达60吨，还配有为空间站进行乘员运输的“ 神舟” 载人飞船和为空间站进行货物补给的“天舟”货运飞船。此外，还有1个与空间站共轨飞行的光学舱。

核心舱被命名为“天和”，全长约16.6米，最大直径达4.2米，发射质量20～22吨。核心舱又分为3部分：节点舱、生活控制舱和资源舱。主要功能包括为航天员提供居住环境、支持航天员的长期在轨驻留、支持飞船及其他航天器对接停靠并开展部分的空间应用实验，也是空间站的管理和控制中心。节点舱有2个对接口、2个停泊口和1个出舱口，停泊口用于对接2个实验舱;对接口用于“神舟”载人飞船及其他飞行器访问空间站;出舱口供航天员出舱活动。资源舱后端也有1个对接口，用于对接“天舟”货运飞船。

此外， 核心舱外面还部署了1套机械臂， 用于抓取舱体、运送货物以及支持航天员在舱外的活动等。

实验舱Ⅰ名为“ 问天”， 实验舱Ⅱ名为“梦天”，都主要用于支持开展空间科学与应用研究。实验舱Ⅰ同时也作为核心舱的部分功能备份，具有支持航天员出舱及组合体控制功能等。

光学舱被命名为“ 巡天”，也就是我们常说的巡天号光学天文望远镜。它与天宫空间站的主体共轨飞行，必要时可以靠近空间站，与空间站对接，进行燃料补加或进行维修。

搭建太空城堡

那么，如何将这样一组“大家伙” 部署到太空中去呢？ 科研人员的回答是： 一步一步来， 就像在太空搭积木一样。

2021年春季，首先要发射的是核心舱，随后发射货运飞船（天舟二号）与核心舱对接，之后发射载人飞船（神舟十二号），将首批3名空间站航天员送入太空，在轨生活3个月，对核心舱进行全面检验，然后发射第二艘货运飞船（天舟三号）和第二艘载人飞船（神舟十三号）。2022年陆续发射两个实验舱，最后发射“巡天”光学舱。

不久的将来，中国航天员在太空将进入常态轮值阶段。也就是说， 以后我们的航天员也要像国际空间站航天员那样，每天24小时、每年365天， 不间断地在太空生活工作了。

宝贵的空间资源：微重力环境

从地球出发，越过100千米的“卡门线”，就是我们常说的太空。中国空间站，运行在倾角41°～42°、轨道高度约400千米的近圆轨道上，绕地球一圈只需大约90分钟，所以航天员在24小时内可以看到16次日出日落。在这里，由于空间站绕地球飞行所产生的离心力与地球引力平衡，所以空间站上的物体会呈现出微重力状态。微重力环境是开展空间科学研究与实验非常独特而宝贵的资源。

在微重力条件下，材料的加工及制备过程与地面完全不同。比如微重力环境下合金的制备、晶体的生长、球体的制造都比在地面上更容易。微重力还会对一些基础物理的实验条件产生重要影响， 科研人员能够以更高的指标和精度开展实验， 对重要的基础物理理论进行验证。

此外，地球上各种生物的生存和进化一直是在重力环境下实现的，未来人类要想进行星际移民，也必须先行研究微重力环境对生物体的影响。

特殊的“观景台”

空间站轨道覆盖了地球南北纬42°以内、地球人口居住90%的区域，与一般地球遥感卫星采用的太阳同步轨道相比，空间站可实现对同一地区可变光照条件下的观测。而且空间站轨道高度较低，相比对地观测仪器的空间分辨率更高，所以对地观测成像的效果更好。这对于我们观察地球周围的大气环境变化以及海洋、森林等生态变化等更加有利。

由于空间站位于地球大气层之上， 脱离大气层的遮挡和电磁场的干扰， 能夠接收到来自宇宙中的各种高能射线， 既能开展辐射生物学研究， 也是开展高能天文观测和粒子天体物理研究的绝好平台。

另外，巡天号光学舱也是一个独立的天文观测平台， 是中国下一代旗舰级空间天文望远镜， 被称为“ 中国的哈勃望远镜”。但它比哈勃望远镜的视场要大300倍， 它将在两个核心舱发射后进入太空，有望在暗物质、暗能量、星系形成与演化、系外行星探测等天文领域和基础物理领域的重大问题上取得突破。

去太空做实验

在载人航天工程发展初期有这样一句话： 造船为建站， 建站为应用。发展载人航天、建设空间站的最终目的就是开展大规模的空间应用， 也就是载人航天工程第三步的目标—— 建设中国人的国家级太空实验室。

右下图是生命生态实验柜，上方是用于开展各类实验的模块，下方是通用的电控、温控等模块。实验柜用来研究植物或动物在微重力环境下的反应与变化以及空间辐射对它们的影响， 从而揭示出微重力对生物个体生长、发育与衰老的影响。

例如， 利用通用生物培养模块可以种植水稻、生菜等植物;在小型通用生物培养模块里可以养果蝇、线虫、蚕等微小型动物;在小型受控生命生态实验模块中可以建一个水生生态系统来养鱼。如果把这些模块替换成专门为哺乳动物设计的模块， 就可以用来养小老鼠等啮齿类动物。

天宮空间站舱内一共部署了12 个学科方向实验柜和4 个共用支持实验柜。空间站舱内的实验柜除了研究空间生命科学与生物技术， 还能用于开展航天医学、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、航天新技术等领域研究。

空间站舱外配备了暴露实验平台， 配置了多个标准载荷接口或大型载荷挂点， 用于开展天文观测、地球观测、空间材料科学、空间生物学等多种类型的暴露实验或应用技术试验。除了利用舱内的科学实验柜、舱外的暴露装置， 还可以设计舱内、舱外专门的独立载荷，用于进行更多的实验项目。

总之，空间站的独特环境，加上10年以上的连续运行以及天地往返运输支持和航天员参与等条件，为系统地开展各类科学实验与技术试验打下了非常有利的基础。让我们期待中国空间站早日建成，为推动中国各领域的科学研究，为人类探索更多宇宙奥秘作出积极贡献。