天和升空 哪些仪器助力打造中国“太空实验室”

4月29日，中国空间站天和核心舱成功发射入轨，标志着中国空间站在轨组装建造拉开序幕，为后续关键技术延展和空间站组装顺利实施奠定了基础。

天和核心舱是中国空间站的首个舱段，中国空间站工程在今明两年将接续实施11次飞行任务，包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船发射以及4次载人飞船发射，并依次围绕核心舱完成组装建造工作。预计于2022年前后，天宫空间站才能正式建成，成为长期有人照料的国家级太空实验室。未来，中国空间站将支持开展大规模多学科的空间科学研究、技术验证和空间应用，具有航天员参与实验操作、实验设备可维护升级、实验样品可返回、天地信息传输等独特优势。中国空间站将在轨运营10年以上，实验资源充足，为开展多学科、系列化和长期的空间研究提供了历史性机遇。

作为一个大型的国家级太空实验室，刚刚发射入轨的天和核心舱搭载了哪些仪器设备？未来还有哪些仪器设备会随着问天、梦天舱段升入太空？建设成功的天宫空间站将能开展哪些方面的研究工作？仪器信息网特整理了部分相关信息，与大家一起来深入了解中国空间站。若有遗漏，欢迎联系补充。

由中国科学院牵头负责的空间应用系统，目前在空间站天和、问天、梦天三个舱段舱内共安排了10余个科学实验柜，每个实验柜都是一个高功能密度的太空实验室，可支持一个或多个方向的空间科学与应用研究。空间站舱外还安排了若干暴露实验平台，同时巡天空间望远镜与空间站共轨飞行。这些重大设施可支持在轨实施空间生命科学与生物技术、微重力流体物理和燃烧、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理等9个学科领域30余个研究主题的科学研究，预计可滚动实施近千项实验项目。

首先关注随天和核心舱发射入轨的重大科学设施，主要包括无容器材料实验柜以及医学样本分析与高微重力科学实验柜等。

无容器材料实验柜

无容器是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力，从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。无容器材料实验柜通过静电悬浮技术实现无容器材料科学实验，温度可达3000℃，可进行金属、非金属等无容器加工研究，揭示地面重力环境难以获知的材料结晶、玻璃化、凝固、形核机理，获得先进材料的空间制备技术和生产工艺关键条件，指导地面材料加工工艺的改进与发展。

无容器材料柜的组成如图所示，主要由无容器实验平台、真空/加压模块、实验电控模块等组成。其中，无容器实验平台上集中布局了科学实验腔以及半导体激光器、 CO2激光器、脉冲激光器、单波长测温仪、全景相机、高速相机等多种观察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量。真空/加压模块为科学实验腔提供实验开展需要的真空实验环境或惰性气体压力保护环境。

高微重力科学实验柜

医学样本分析与高微重力科学实验柜包括两部分，其中的航天医学实验装置主要包括太空离心机和太空医学样本冷藏箱。主要功能包括提供体液样品的的离心分离功能；提供4摄氏度低温冷藏功能；提供基于芯片实验室技术的人体体液样本中病毒核酸等生化指标在轨检测分析功能。据了解，其中太空离心机，由湘仪经过三年的开发与测试研制完成。

高微重力科学实验柜首创采用双层悬浮隔离振动，可实现比空间站平台高2～3个数量级的高微重力水平，可开展相对论物理与引力物理、流体动力学及其应用、材料制备机理等前沿科学研究。该实验装置通过悬浮实验台提供 10^-5m/s²~10^-4m/s²量级的高微重力环境。

除了这些科学实验柜之外，天和还搭载了不少仪器设备，用于空间站和航天员的保障工作。

其中，中国科学院大连化学物理研究所微型分析仪器研究组关亚风研究员、耿旭辉研究员团队研制的双通道气相色谱仪已于4月29日随天和核心舱发射升空，截至目前，运行状态良好，已开始下传检测数据。

双通道气相色谱仪是空间站环控生保分系统的重要部组件，用于舱内空气中微量挥发性有机物的在线监测。其双通道独立工作，一次采样可同时分析50多种有机组分，也可与质谱仪联用，是保障航天员在轨安全生存不可或缺的产品。该仪器研制历时8年，经过原理样机、工程样机、初样和正样阶段，最终成功。具有体积小、重量轻、功耗低，实现了关键器部件的国产化，为中国空间站环控生保系统提供技术支持和保障，为我国深空探测分析检测保障设备的研制积累了技术。

另外，除了已经随着天和核心舱升入太空的这两个实验柜之外，通过中国载人航天工程办公室在2019年4月向科学界发布了《中国空间站空间科学实验资源手册》，我们还可以看到未来可能随着进一步建设升空的实验设备。目前空间站上已安排的10余个科学实验柜及其用途如表格所示，其中不少能看到科学仪器的身影。

人系统研究机柜由医学样本显微观察记录装置、医学样本制备装置、失重生理效应研究单元I和II、视功能测量单元、运动特性测量单元、太空拉曼光谱分析仪、信息管理主机单元、实验用品单元等10个载荷单元组成。可用于进行生理学检测和行为学检测的能力，支持开展长期空间环境条件下生理效应、人的能力研究和以发展新型防护技术为目标的实验。

其中，我们熟悉的拉曼光谱仪也首次登录太空，主要负责基于拉曼光谱分析的在轨营养代谢组学研究，可用于检测人体尿液中的代谢产物水平，其核心指标为太空拉曼光谱仪增敏倍数（与比色皿相比）≥40 倍。

生命生态实验柜开展以生物个体为对象的微重力效应和空间辐射效应研究，以及空间生态生命支持系统基础研究。主要由通用生物培养模块、小型受控生命生态实验模块、小型离心机实验模块、小型通用生物培养模块和专用实验装置（如亚磁果蝇培养模块、小型哺乳动物培养模块），以及微生物检测模块，舱内辐射环境测量模块等公共检测类模块组成。

生物技术实验柜，开展以生物组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象的细胞培养和组织构建，以及分子生物制造技术、空间蛋白质结晶和分析等空间生物技术及应用研究，主要由细胞组织培养模块、蛋白质结晶模块、专用实验装置（如核酸与蛋白模块、生物力学实验模块），以及可提供实验支持和光学检测的细胞组织检测与调控模块组成。而这其中，搭载了许多分析仪器技术。

其中，组织与细胞培养模块适用于在空间开展以细胞、组织为生物样品的多种类型的生物技术实验和研究；蛋白质结晶分析模块利用空间的微重力环境，为实施蛋白质组装等生物技术提供特殊优越的环境；完成空间蛋白质分子组装与应用研究，并可使用该平台组装高质量的蛋白质三维晶体和纳米晶蛋白质/多肽药物；核酸与蛋白模块支持运用色谱、质谱及电化学原位检测等手段开展“核酸与蛋白共起源”交叉研究实验；生物力学实验模块用于开展空间细胞、组织和系统的生物力学规律研究实验；还可以研制其他专用实验装置，用于开展其他生物技术实验研究。细胞组织检测与调控模块可为实验提供激光共聚显微观察、分光光度计检测等光学观测手段，并可为实验提供气体供给。

流体物理实验柜用于微重力流体动力学及其应用研究、 晶体生长动力学和蛋白质结晶研究、微重力环境下材料制备过程机理研究、 微重力复杂流体研究、重要应用背景材料制备研究及空间生命技术相关的流体输运过程研究。主要由流体动力学模块和复 杂流体模块等组成。

其中，流体动力学模块为通用流体动力学实验提供综合检测支持，包括流体动态速度、流体温度、流体表面形变、浓度场的测量。复杂流体模块为复杂流体相变动力学实验提供检测支持，包括粒径、显微放大观测、 成核及生长速度、浊度、散热光强、流变特性的测试。

高温材料科学实验柜支持开展金属合金、半导体光电子材料、纳米和介孔材料、无机功能材料等多种类别材料的熔体生长和凝固科学实验。主要由高温炉模块、批量样品管理模块、X 射线实时观察模块和实验电控模块等组成。

其中，高温炉模块通过更换不同熔炉分别提供高温 I 型、高温 II 型不同的实验条件，支持以安瓿结构封装的样品盒开展熔体生长、凝固科学实验和制备研究。安瓿样品盒承载和密封材料实验样品及其坩埚，可设置实时在线实验数据测量与采集，在高温炉炉膛内进行材料科学实验。批量样品管理模块支持安瓿样品盒在批量样品 管理模块和高温炉模块中自动更换。X 射线实时观察模块具有 X 射线透射成像功能，通过实时可视化观测手段，获得样品制备过程中的固/液界面形态、界面输运效应等实时图像信息和数据。 

科学手套箱与低温存储柜为空间生命科学与生物技术、空间材料科学等方向实验提供样品装载、精细操作、样品低温存储等支持。

科学手套箱（位于实验柜上部）可以提供温湿度可控的密闭洁净环境，内置支持精细操作的机械臂和显微装置，可以支持生命、 材料科学等需要用到密闭洁净环境的科学实（试）验。低温存储装置（位于实验柜下部）能够提供 4℃、-20℃、-80℃的低温存储能力，可以满足生物、试剂、材料等样品不同低温存储条件，为开展长期空间实验提供保障。