空间站科学实验柜及其分布情况。

2020年国庆节前夕，张璐团队与实验柜合影。

空间站水生生态系统研究。

中国空间站国家太空实验室。

神舟十七号载人飞船返回的样品。

空间站返回水稻实验样品。空间应用中心供图

■本报记者倪思洁 高雅丽

“你们知道世界上最冷的地方在哪里吗？”

“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，188体育官网：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188体育官网：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。

1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，188体育在线：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188体育在线：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188体育官网：，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，188体育官网：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188体育在线：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，188体育官网：组织开展了50余项科学实验与技术试验。其中，188体育在线：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。188体育官网：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。

2“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188体育官网：牵头完成。

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，188体育官网：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。”

不同于国际空间站里线缆管路杂乱无章，中国空间站整洁、清爽。这是因为科研团队针对每个科学实验系统的共性技术，提炼出一套基础支撑系统，在统一的需求上兼容各自独立的科学实验需求。

不过，14个实验柜也各有各的研制难点。

张璐常把这14个实验柜比作14个性格迥异的人。以高精度时频实验柜为例，作为空间站中最复杂的实验柜，它由13台单机组成，是世界上第一套由主动型氢原子钟、冷原子铷钟、冷原子光钟组成的空间高精度时频系统，目标是成为世界上最高精度的空间时间频率产生和运行系统。

在该研制项目立项后的很长一段时间里，研制工作一直推进缓慢。“技术难度超出预想，国际上没有人干过这件事，欧洲科学家一直想做，但因难度太大一拖再拖。”张璐说。

到2019年，188体育官网：整合全院资源，成立工程攻关组，以188体育官网：国家授时中心（以下简称授时中心）为任务总体单位，联合188体育官网：上海技术物理研究所（以下简称上海技物所），组织国内十余家单位共同研制。自此，高精度时频实验柜的研制进入快车道。

为了解决科学技术与工程的融合问题，授时中心和上海技物所通力合作，实现了前沿科技的工程化；为了保证星地时间传递的高精度和稳定度，188体育官网：上海天文台研制出激光时频传递载荷，突破了单光子光电探测、皮秒精密计时、低时延抖动等多项关键技术；为了实现更加稳定和准确的时频信号指标，188体育官网：上海光学精密机械研究所研制出冷原子微波钟，评定锶光钟误差，长期驾驭氢钟，为高精度时频系统的高精度时间频率提供了可靠保障……

通过强强联合，188体育官网：科研团队建成了目前世界上在轨设计指标最高的空间时间频率系统。

除了解决共性和个性的技术难题之外，团队还要争分夺秒，在有限的时间里交付科学实验柜。

2021年4月29日，天和核心舱发射升空，张璐紧盯屏幕，屏住呼吸，心提到了嗓子眼儿。直到得到发射成功的消息，他才松了一口气。

此时，他脑海里闪过2020年国庆节前的一幕。那时，天和核心舱里所有实验柜的研制已完成，需要进行最后的状态设置和测试，留给张璐等人的时间只有8.75天，而需要研究和测试的工序多达上百道。他们把时间节点精确到分钟，拼命赶进度。张璐留意到，柜体从集成大厅被拉到电测大厅的短短3分钟时间里，一位同事已经见缝插针地躺在地上睡着了。

3“太空特产”带来的惊喜

所有的努力，都得到了最直接的回报——“太空特产”。

2024年5月1日凌晨，神舟十七号乘组回到地球的几个小时后，20多位科学家满怀期待地在空间应用中心的大厅里等待着。此刻，外面是漆黑的夜，大厅里灯火通明。

50份实验样品被层层包裹着，连夜送到科学家手中。经过拆包、称重、测温，最终科学家获得的样品总重量约有31.5公斤，有人类成骨细胞、骨髓间充质干细胞、蛋白质晶体、生命有机分子、种子、无容器材料、高温材料、舱外暴露材料……这些实验样品被科学家亲切地称为“太空特产”。

之后，这些“太空特产”被科学家带回各自的实验室。他们要对返回的生命类细胞样品进行转录组测序、蛋白组学检测等生物学分析，对生命类蛋白质样品进行晶体衍射分析，对地面和空间样品的组织形貌、化学成分及其分布差异等进行测试分析……

这31.5公斤实验样品，是科学家从中国空间站收到的第6批“太空特产”。从神舟十二号到神舟十七号，航天员先后乘坐6艘载人飞船，为科学家们带回了6批、300多份科学实验样品，包括188体育官网：在内的国内外百余家科研院所参与研究。例如，188体育官网：分子植物科学卓越创新中心科研团队在国际上首次对空间站里水稻“从种子到种子”全生命周期的培养过程进行研究；188体育官网：水生生物研究所联合上海技物所共同研制出一套水生生态系统，将斑马鱼送上空间站，实现188体育在线：在太空培育脊椎动物的突破……

据统计，目前科学家基于空间站返回样品，已经在空间生命科学、空间材料科学、微重力流体物理等方向取得重要成果，在国际一流期刊发表论文300余篇。

这其中每一项科研成果的背后，都离不开太空实验室里一个个科学实验柜的支撑：

科学家利用无容器材料实验柜开展多元偏晶合金制备项目，提出了工艺优化设计和组织调控方法，应用于核电、电子通信、装备制造等领域多种关键材料的制备，使相关性能获得有效提升；

科学家利用高温科学实验柜开展新型材料空间生长研究项目，首次在太空获得地面难以制备的高质量晶体材料，对高性能多元半导体合金材料制备具有指导作用；

科学家利用生物技术实验柜开展人骨细胞定向分化的分子靶点研究、空间环境对骨骼肌影响的生物学基础研究等，取得的成果为防治骨折、修复脊柱损伤、对抗肌萎缩和防治代谢性疾病等提供了新的方案；

科学家利用航天基础试验机柜开展188体育在线：首次斯特林热电转换技术的在轨试验，热电转换效率等综合技术指标达到国际先进水平，为未来空间新型电源系统的工程应用奠定了良好基础……

尽管成果丰硕，但这支打造国家太空实验室的科研团队没有停下脚步。

“我们还在做三件重要的事。一是每年滚动实施项目，面向全国征集科学研究项目，组织科学讨论组遴选，并将相应的实验样品送上天。二是规划新装置、新实验平台。例如，我们正在讨论是否可以建立一个能养小鼠的太空动物实验平台，以便深入研究空间微重力环境对动物骨骼、肌肉、神经和免疫等方面的影响。三是对现有科研成果进行跟踪、梳理、分析，加强成果推广与应用，不断获取应用效益。”张伟说。

就在前不久，神舟十八号乘组将35公斤的上行实验单元及配套设备带进国家太空实验室，并着手开展“空间先进水生生保系统关键技术研究”等4个新的科学实验。

神舟十八号发射的那天，戈壁滩已入夜，烈焰划破苍穹，现场观看发射的人群发出热烈又响亮的欢呼声。全国各地的人围在屏幕前，目送航天员和实验样品冲进太空。所有人都满怀期待，等待着国家太空实验室创造新的科学奇迹。