中國驕傲丨把空間站搬到地球！中國航太首個“地面空間站”試運作

【導語】從神舟五號一飛沖天到中國空間站遨遊蒼穹，如今，已經有十艘載人飛船、16名中國航太員造訪太空。如何更好保障航太員在艙外工作時的生命安全？如何提升航太器的使用壽命？能不能在地球上建造“空間站”來模擬太空環境呢？

在中國最北的黑龍江省有一個“地面空間站”——空間環境地面模擬裝置，可以綜合模擬多類空間環境因素。目前裝置主體建設已經完成，正在進行聯合調試試運作工作，可以預見的是，曾經許多需要抵達太空才能進行的實驗，未來在這裡就可以完成。這標誌著我國航太領域又新增一個大國重器，這對於我國航太事業和空間科學探測能力發展有著不可言喻的推動作用。

將空間站“搬”到地球上

大約五十個足球場大小的園區內，分佈著“一大三小”四棟實驗樓，“一大”即空間綜合環境實驗樓，“三小”即空間電漿體科學實驗樓、空間磁環境科學實驗樓、動物培養室。這就是位於哈爾濱新區的“空間環境地面模擬裝置”，也被稱為“地面空間站”，由哈爾濱工業大學和中國航太科技集團聯合建造，是我國航太領域首個大科學裝置。

空間環境地面模擬裝置建設園區。（圖源：哈爾濱工業大學）

“目前，空間環境地面模擬裝置主體建設已經完成，正在開展聯合調試試運作工作。部分裝置已經在為用戶提供科研服務。預計今年底整體工程完成驗收。”哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置常務副總指揮、常務副總師、空間環境與物質科學研究院院長李立毅介紹。

“空間環境地面模擬裝置，就是要在地球上建設一個與真實宇宙空間環境相似的‘地面空間站’，相當於把空間站‘搬’到地球上。”李立毅表示，“未來，許多需要抵達太空才能進行的實驗，在這裡就可以完成。屆時，科學家們開展空間實驗將不再‘難於登天’。未來，航太員們還可以在這裡體驗和適應月球、火星等星球的表面環境。”

模擬九類空間環境因素

在這個超級空間環境模擬實驗室中，可以綜合模擬九類空間環境因素，如專用空間輻照和輻射耦合效應實驗條件，航太材料多因素空間環境影響實驗條件，多因素空間生命科學實驗條件等，可以創造弱磁、高低溫、原子氧、真空等空間或行星表面環境。主要設施包括模擬空間輻射粒子的加速器、月塵艙、火星塵艙等。這些特殊的空間環境模擬設施建成後，將在此建設模擬月球、火星表面環境等。

月表環境模擬系統。（圖源：人民日報）

·空間綜合環境模擬與研究系統

空間綜合環境模擬與研究系統能夠在地面模擬太陽系典型空間環境因素，包括真空、高低溫、原子氧、空間粉塵、粒子輻照、電磁輻射等，實現了同一空間多環境因素及其強關聯效應和極端環境的地面模擬。

空間綜合輻照環境模擬系統能夠在地面實現真空、低溫、太陽/紫外電磁及帶電粒子綜合輻照環境地面模擬，目前正在進行聯合調試試運作。

月表環境模擬系統能夠模擬真空、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境及效應，目前已通過驗收，開始為科研院所提供服務。

火星塵環境模擬系統為國內首臺直流引射式低密度風洞，技術指標達到國際領先水準，平臺致力於火星表面塵暴環境的模擬，目前已通過驗收，開始服務用戶。

高速粉塵環境模擬系統是國內首臺用於空間高速粉塵環境模擬的大型裝置，技術指標達到國際領先水準，目前正在進行聯合調試。

高能粒子輻照環境模擬已完成300MeV質子重離子加速器、器件高能離子輻照終端和多因素耦合生物學輻照終端建設工作，併為多家科研單位提供服務。

300MeV質子重離子加速器。（圖源：人民日報）

·空間磁環境模擬與研究系統

空間磁環境模擬與研究系統能夠在地面實現亞納特級-亞毫特級、大尺度、多功能的磁環境模擬，目前已經完成全部建設工作、系統工藝測試大綱評審以及系統自測試，為相關科研院所用戶單位提供了服務。

·空間電漿體環境模擬與研究系統

空間電漿體環境模擬與研究系統能夠在地面實現對近地空間和臨近空間電漿體環境的模擬，近地空間電漿體環境模擬分系統已完成主體設備安裝與自測試，臨近空間電漿體環境模擬分系統已完成全部單體設備驗收及分系統聯合調試。

解決全球尖端科研難題

“地面空間站”的中央監控大廳。（圖源：科技日報）

事實上，空間環境地面模擬裝置早在2005年就開始了調研、分析和系統論證，經過相關領域科學家和有關部門反覆論證、審慎決策，于2017年底開始動工建設，目前已基本建成，進入試運作。

“模擬空間環境因素最多的系統級綜合輻照試驗艙，首個可實現動態月塵充正電和負電的大型月球多因素極端環境模擬器——月塵艙，直流引射式低氣壓風洞——火星塵艙，可實現空間微納粉塵最高速度達到70km/s的高速粉塵艙……”空間綜合環境模擬系統副研究員李麗芳介紹，這些設備都配備了先進的原位測試儀器，可以在艙內實現實時線上動態測量。

李麗芳表示，空間綜合環境模擬系統建成後，將為我國載人航太、深空探測、空間站建設等重大工程提供世界領先的科研平臺和型號産品試驗標校環境，解決高性能航太材料和器件等“卡脖子”問題，保障航太器高可靠、長壽命在軌服役。

“‘地面空間站’工程兼具科學研究與工程建設的特性，科研探索始終貫穿建設之中，需要不斷攻關、不斷調試、不斷改進，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，反覆進行研究試驗。”李立毅解釋，在這裡，科研與建設實現同步推進，哈工大有關科研建設團隊聯合其他協作單位一起攻克了多項關鍵核心技術。“未來，‘地面空間站’還將在腦科學、生命健康、高端儀器研發等方面發揮重要作用。”

“裝置建設的溢出效應非常明顯，圍繞空間環境模擬的許多關鍵技術在建設需求牽引下得到突破。目前，我們已累計申請國際和國內發明專利120余項。”李立毅透露，國內外的科學家們已經迫不及待地想要進入“地面空間站”開展科學實驗。目前，已有國內外110余家高校和科研院所與該裝置簽署了用戶協議。

為航太強國建設提供支撐

這個被稱為“地面空間站”的國家重大科技基礎設施為何而建？與真正的太空實驗室有何不同？它的建成投用對於我國航太事業和空間科學探測能力發展有何助力作用？

在太空中的空間站是一個長期開展空間科學研究和實驗的基地。由於空間站軌道具有與地面完全不同的極端環境，比如極端粒子輻射、微重力環境等，對物質的演化和作用有特殊的效果。“開展太空實驗不僅有助於我們認識宇宙起源、揭示物質本質和運動規律，還有助於我們探索甚至遨遊星辰大海。”李立毅説。

火星塵環境模擬系統。（圖源：人民日報）

不過，空間站軌道的實際環境是不斷動態變化的綜合環境，會受到太陽、地磁等自然環境的干擾。這給在理論上開展空間環境條件下的物質演化規律和相關演化本質的研究造成困擾。另外，在空間站開展相應的研究還存在其他諸多困難，比如很多儀器設備沒有辦法“搬”到太空；一些大品質的設備、材料和物質上天，需要付出極大的成本和代價；只有少數航太員科學家能夠前往空間站進行實驗操作……

因此，建設可以模擬不同空間環境因素的“地面空間站”意義非凡。特別重要的是，可以在環境模擬設備上設計、安裝先進的分析和研究設備，為系統、深入開展空間極端環境模擬與物質演化行為的研究提供便利，“地面空間站”將成為空間科學、航太技術、物質科學等領域最先進的技術研究與工程應用平臺。

隨著空間環境地面模擬裝置的建成，我國將構建起空間在軌實驗、地面模擬實驗、電腦數值模擬“三位一體”的天地一體化的空間環境與物質作用研究體系，為航太發展和空間探索提供保障。

(資料來源：央視新聞、人民日報、中新網、科技日報、中國紀檢監察報)