“就在我头顶。”2023年9月21日，在“天宫课堂”第四课上，神舟十六号航天员桂海潮指着超冷原子物理实验柜说，“它可以实现地面无法实现的温度，并制备出接近绝对零度的超低温物质，这种物质的原子会呈现特殊的状态，用于更好地探索量子力学的奇异世界。”

在中国航天员于正式运行的国家太空实验室给孩子们讲课的同时，中国科学院空间应用工程与技术中心（以下简称“空间应用中心”）研究员张璐正在电视台“天宫课堂”的直播现场，给孩子们深入讲解国家太空实验室里的高科技。

张璐等来自中国科学院的科学家属于最了解太空实验的一群人，他们为国家太空实验室的诞生提供了强有力的科技支撑。

屏幕前，全国各地的孩子看着直播画面，听着科学家的讲解，眼里满是期待与惊喜。

中国空间站国家太空实验室。

把实验室搬进太空

国家太空实验室是依托中国空间站建立的国家级太空研究平台。回溯中国空间站建设的历史可以发现，建立国家太空实验室是中国早在30多年前就已明确的目标。

1992年，我国批准实施载人航天工程，明确“三步走”战略——

第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；

第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；

第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

“造船为建站，建站为应用”，这是我国载人航天工程建设发展的初衷。而“太空实验”是“应用”的重中之重，也是“三步走”战略实施过程中一直努力的方向。

在1992年中国载人航天工程确立之初，国家就把载人航天空间科学与应用的重任交给了中国科学院，由这支科技“国家队”负责相关任务的论证、立项与实施。

在载人飞船阶段，中国科学院组织开展了当时规模最大、领域最广的空间科学与应用计划，28项空间科学实验均为国内首次开展，在我国空间生命、材料等基础研究方面起到了开创奠基作用。

在空间实验室阶段，中国科学院组织开展了50余项科学实验与技术试验。其中，我国研制的世界首台空间冷原子钟达到10-16秒量级的超高精度，伽马暴偏振仪等项目也取得了国际领先的研究成果。

2021年，中国空间站迎来建设元年。这年4月29日，天和核心舱被长征五号B运载火箭送入太空，中国空间站在轨组装建造由此开启。中国科学院组织全国相关科技人员，在空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用四大领域，规划布局了覆盖面广泛的研究项目，研制了一批具有国际一流水平的科学实验机柜和舱外设施。

作为中国空间站实验规划和实验柜研制的参与者，来自空间应用中心的科研人员常被问到“为什么要把实验室搬进太空”。

每次遇到这个问题，载人航天工程空间应用系统总指挥助理、空间应用中心研究员张伟都会认真作答：“我们要探寻‘我们是谁’‘我们从哪里来’，了解生命、宇宙的起源与演化；我们也要回答‘我们到哪里去’，如果地球未来不适合人类生存了，我们就需要找一个地外的生存空间。此外，我们还可以让太空资源为人类所用。”

在他和同事看来，前往太空、探索太空，既是人类好奇心的驱使，也是人类发展的终极需求，而空间站为人类迈向宇宙奠定了基础，是人类开展太空探索、开发太空资源的前哨平台。

“太空实验室能够为我们提供很好的研究条件，比如长期的微重力、辐射条件，让我们可以研究这种环境下新的生命科学、物理科学现象，研究产生这些现象的机理，掌握未来人类长期在太空生存需要采取的措施。”张伟说。

向着明确的目标、带着美好的期待，2022年中国空间站迎来了忙碌的一年。2022年7月25日，问天实验舱与天和核心舱成功对接；2022年11月1日，梦天实验舱成功对接；2022年11月3日，梦天实验舱顺利完成转位，中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成。

建成后的中国空间站成为一座国家太空实验室，也成为中国航天史上规模最大、长期有人照料的空间实验平台。其中，天和核心舱主要面向航天医学、空间科学实验和技术试验；问天实验舱主要面向空间生命科学研究；梦天实验舱主要面向微重力科学研究。

“方寸”之间显身手

当2023年8月18日中国国家太空实验室宣布正式启用时，张璐、张伟心里说不出的激动。“把实验室搬进太空”，是无数科研人员经过无数次尝试和努力的结果。

中国空间站三舱部署的实验机柜与一系列舱外设施，可开展上千项科学实验。其中，生命生态实验柜、流体物理实验柜、无容器材料实验柜、高精度时频实验柜、高微重力科学实验柜等14个科学实验柜均由中国科学院牵头完成。

空间站科学实验柜及其分布情况。

这14个实验柜有共同的研制难点。

难点之一是“小”，研制实验柜相当于把在地面上一整间屋子里的实验装置，塞进不到两立方米的柜子里；难点之二是实验柜要既轻便又牢固，用最小的重量搭载最多的科学载荷，以便未来能够承载更多的科学研究；难点之三是要有科学前瞻性，能满足后续十年的科学实验需求。

每一个科学实验柜都相当于一个综合性实验室，而柜子只有“方寸”大小——高1.7米、宽1.1米、深0.9米。“技术创新是唯一的办法。”张璐说。

科研团队针对实验柜进行了几百次仿真和力学试验验证；他们在柜体上进行了大量的减重优化设计，又对局部进行加固处理，满足发射需求。通过多轮次“材料优选、轻量化设计、仿真分析、力学试验验证”的迭代，实验柜在柜体主结构不到100公斤的情况下，承重能力达到500公斤，比国际空间站实验柜高出两倍以上。

此外，在科学研究规模越来越大、科学设施越来越复杂，以及学科之间不断交叉融合的当下，科学家和工程师的合作越来越重要。早在2011年，中国科学院就开始征集空间科学实验项目建议，从而最大限度地确保实验项目的前沿性和前瞻性。“当时有500多个项目建议，我们从项目建议中提炼出需求，再归纳总结形成实验装置的设计方案。”张伟感慨，“科学家就像大脑，需要酝酿出一个科学想法；工程师就像双手，把科学想法变成现实。”（记者倪思洁 高雅丽）

（未完待续）

责任编辑：魏敏