中國驕傲丨把空間站搬到地球！中國航天首個(gè)“地面空間站”試運(yùn)行

【導(dǎo)語】從神舟五號一飛沖天到中國空間站遨游蒼穹，如今，已經(jīng)有十艘載人飛船、16名中國航天員造訪太空。如何更好保障航天員在艙外工作時(shí)的生命安全？如何提升航天器的使用壽命？能不能在地球上建造“空間站”來模擬太空環(huán)境呢？

在中國最北的黑龍江省有一個(gè)“地面空間站”——空間環(huán)境地面模擬裝置，可以綜合模擬多類空間環(huán)境因素。目前裝置主體建設(shè)已經(jīng)完成，正在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試試運(yùn)行工作，可以預(yù)見的是，曾經(jīng)許多需要抵達(dá)太空才能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，未來在這里就可以完成。這標(biāo)志著我國航天領(lǐng)域又新增一個(gè)大國重器，這對于我國航天事業(yè)和空間科學(xué)探測能力發(fā)展有著不可言喻的推動(dòng)作用。

將空間站“搬”到地球上

大約五十個(gè)足球場大小的園區(qū)內(nèi)，分布著“一大三小”四棟實(shí)驗(yàn)樓，“一大”即空間綜合環(huán)境實(shí)驗(yàn)樓，“三小”即空間等離子體科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、空間磁環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、動(dòng)物培養(yǎng)室。這就是位于哈爾濱新區(qū)的“空間環(huán)境地面模擬裝置”，也被稱為“地面空間站”，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國航天科技集團(tuán)聯(lián)合建造，是我國航天領(lǐng)域首個(gè)大科學(xué)裝置。

空間環(huán)境地面模擬裝置建設(shè)園區(qū)。（圖源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

“目前，空間環(huán)境地面模擬裝置主體建設(shè)已經(jīng)完成，正在開展聯(lián)合調(diào)試試運(yùn)行工作。部分裝置已經(jīng)在為用戶提供科研服務(wù)。預(yù)計(jì)今年底整體工程完成驗(yàn)收。”哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間環(huán)境地面模擬裝置常務(wù)副總指揮、常務(wù)副總師、空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院院長李立毅介紹。

“空間環(huán)境地面模擬裝置，就是要在地球上建設(shè)一個(gè)與真實(shí)宇宙空間環(huán)境相似的‘地面空間站’，相當(dāng)于把空間站‘搬’到地球上?！崩盍⒁惚硎荆拔磥?，許多需要抵達(dá)太空才能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，在這里就可以完成。屆時(shí)，科學(xué)家們開展空間實(shí)驗(yàn)將不再‘難于登天’。未來，航天員們還可以在這里體驗(yàn)和適應(yīng)月球、火星等星球的表面環(huán)境?！?/p>

模擬九類空間環(huán)境因素

在這個(gè)超級空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中，可以綜合模擬九類空間環(huán)境因素，如專用空間輻照和輻射耦合效應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件，航天材料多因素空間環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)條件，多因素空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件等，可以創(chuàng)造弱磁、高低溫、原子氧、真空等空間或行星表面環(huán)境。主要設(shè)施包括模擬空間輻射粒子的加速器、月塵艙、火星塵艙等。這些特殊的空間環(huán)境模擬設(shè)施建成后，將在此建設(shè)模擬月球、火星表面環(huán)境等。

月表環(huán)境模擬系統(tǒng)。（圖源：人民日報(bào)）

·空間綜合環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)

空間綜合環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)能夠在地面模擬太陽系典型空間環(huán)境因素，包括真空、高低溫、原子氧、空間粉塵、粒子輻照、電磁輻射等，實(shí)現(xiàn)了同一空間多環(huán)境因素及其強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)和極端環(huán)境的地面模擬。

空間綜合輻照環(huán)境模擬系統(tǒng)能夠在地面實(shí)現(xiàn)真空、低溫、太陽/紫外電磁及帶電粒子綜合輻照環(huán)境地面模擬，目前正在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試試運(yùn)行。

月表環(huán)境模擬系統(tǒng)能夠模擬真空、低溫、電子輻照、紫外輻照、微米/亞微米級帶電粉塵等月表多因素綜合環(huán)境及效應(yīng)，目前已通過驗(yàn)收，開始為科研院所提供服務(wù)。

火星塵環(huán)境模擬系統(tǒng)為國內(nèi)首臺(tái)直流引射式低密度風(fēng)洞，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，平臺(tái)致力于火星表面塵暴環(huán)境的模擬，目前已通過驗(yàn)收，開始服務(wù)用戶。

高速粉塵環(huán)境模擬系統(tǒng)是國內(nèi)首臺(tái)用于空間高速粉塵環(huán)境模擬的大型裝置，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，目前正在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。

高能粒子輻照環(huán)境模擬已完成300MeV質(zhì)子重離子加速器、器件高能離子輻照終端和多因素耦合生物學(xué)輻照終端建設(shè)工作，并為多家科研單位提供服務(wù)。

300MeV質(zhì)子重離子加速器。（圖源：人民日報(bào)）

·空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)

空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)能夠在地面實(shí)現(xiàn)亞納特級-亞毫特級、大尺度、多功能的磁環(huán)境模擬，目前已經(jīng)完成全部建設(shè)工作、系統(tǒng)工藝測試大綱評審以及系統(tǒng)自測試，為相關(guān)科研院所用戶單位提供了服務(wù)。

·空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)

空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)能夠在地面實(shí)現(xiàn)對近地空間和臨近空間等離子體環(huán)境的模擬，近地空間等離子體環(huán)境模擬分系統(tǒng)已完成主體設(shè)備安裝與自測試，臨近空間等離子體環(huán)境模擬分系統(tǒng)已完成全部單體設(shè)備驗(yàn)收及分系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

解決全球尖端科研難題

“地面空間站”的中央監(jiān)控大廳。（圖源：科技日報(bào)）

事實(shí)上，空間環(huán)境地面模擬裝置早在2005年就開始了調(diào)研、分析和系統(tǒng)論證，經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家和有關(guān)部門反復(fù)論證、審慎決策，于2017年底開始動(dòng)工建設(shè)，目前已基本建成，進(jìn)入試運(yùn)行。

“模擬空間環(huán)境因素最多的系統(tǒng)級綜合輻照試驗(yàn)艙，首個(gè)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)月塵充正電和負(fù)電的大型月球多因素極端環(huán)境模擬器——月塵艙，直流引射式低氣壓風(fēng)洞——火星塵艙，可實(shí)現(xiàn)空間微納粉塵最高速度達(dá)到70km/s的高速粉塵艙……”空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)副研究員李麗芳介紹，這些設(shè)備都配備了先進(jìn)的原位測試儀器，可以在艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)測量。

李麗芳表示，空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)建成后，將為我國載人航天、深空探測、空間站建設(shè)等重大工程提供世界領(lǐng)先的科研平臺(tái)和型號產(chǎn)品試驗(yàn)標(biāo)校環(huán)境，解決高性能航天材料和器件等“卡脖子”問題，保障航天器高可靠、長壽命在軌服役。

“‘地面空間站’工程兼具科學(xué)研究與工程建設(shè)的特性，科研探索始終貫穿建設(shè)之中，需要不斷攻關(guān)、不斷調(diào)試、不斷改進(jìn)，有一些全球都很少碰觸的尖端難題，更需要以‘鋼牙啃硬骨頭’的勁頭，反復(fù)進(jìn)行研究試驗(yàn)。”李立毅解釋，在這里，科研與建設(shè)實(shí)現(xiàn)同步推進(jìn)，哈工大有關(guān)科研建設(shè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合其他協(xié)作單位一起攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)?！拔磥?，‘地面空間站’還將在腦科學(xué)、生命健康、高端儀器研發(fā)等方面發(fā)揮重要作用?！?/p>

“裝置建設(shè)的溢出效應(yīng)非常明顯，圍繞空間環(huán)境模擬的許多關(guān)鍵技術(shù)在建設(shè)需求牽引下得到突破。目前，我們已累計(jì)申請國際和國內(nèi)發(fā)明專利120余項(xiàng)?！崩盍⒁阃嘎?，國內(nèi)外的科學(xué)家們已經(jīng)迫不及待地想要進(jìn)入“地面空間站”開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。目前，已有國內(nèi)外110余家高校和科研院所與該裝置簽署了用戶協(xié)議。

為航天強(qiáng)國建設(shè)提供支撐

這個(gè)被稱為“地面空間站”的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施為何而建？與真正的太空實(shí)驗(yàn)室有何不同？它的建成投用對于我國航天事業(yè)和空間科學(xué)探測能力發(fā)展有何助力作用？

在太空中的空間站是一個(gè)長期開展空間科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)的基地。由于空間站軌道具有與地面完全不同的極端環(huán)境，比如極端粒子輻射、微重力環(huán)境等，對物質(zhì)的演化和作用有特殊的效果?！伴_展太空實(shí)驗(yàn)不僅有助于我們認(rèn)識(shí)宇宙起源、揭示物質(zhì)本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，還有助于我們探索甚至遨游星辰大海?！崩盍⒁阏f。

火星塵環(huán)境模擬系統(tǒng)。（圖源：人民日報(bào)）

不過，空間站軌道的實(shí)際環(huán)境是不斷動(dòng)態(tài)變化的綜合環(huán)境，會(huì)受到太陽、地磁等自然環(huán)境的干擾。這給在理論上開展空間環(huán)境條件下的物質(zhì)演化規(guī)律和相關(guān)演化本質(zhì)的研究造成困擾。另外，在空間站開展相應(yīng)的研究還存在其他諸多困難，比如很多儀器設(shè)備沒有辦法“搬”到太空；一些大質(zhì)量的設(shè)備、材料和物質(zhì)上天，需要付出極大的成本和代價(jià)；只有少數(shù)航天員科學(xué)家能夠前往空間站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作……

因此，建設(shè)可以模擬不同空間環(huán)境因素的“地面空間站”意義非凡。特別重要的是，可以在環(huán)境模擬設(shè)備上設(shè)計(jì)、安裝先進(jìn)的分析和研究設(shè)備，為系統(tǒng)、深入開展空間極端環(huán)境模擬與物質(zhì)演化行為的研究提供便利，“地面空間站”將成為空間科學(xué)、航天技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)研究與工程應(yīng)用平臺(tái)。

隨著空間環(huán)境地面模擬裝置的建成，我國將構(gòu)建起空間在軌實(shí)驗(yàn)、地面模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬“三位一體”的天地一體化的空間環(huán)境與物質(zhì)作用研究體系，為航天發(fā)展和空間探索提供保障。

(資料來源：央視新聞、人民日報(bào)、中新網(wǎng)、科技日報(bào)、中國紀(jì)檢監(jiān)察報(bào))