2018珠海航展上展示的中国空间站核心舱模型。新华社
中国空间站结构示意图。中国载人航天工程办公室官方网站
中国预计2020年发射空间站核心舱，2022年左右发射实验舱I和实验舱II。之后，三个舱将形成“T”形构型形成一个完整的空间站。空间站预计2022年后开始运行，在轨运行10年以上。
自中国空间站计划实施以来，“我们去空间站做什么”一直是公众关心的问题。事实上，“做实验”是一项重要的任务——空间站将支持大量的科学研究和实验。
此前，来自17个国家的9个项目成为中国空间站科学实验的第一个国际合作项目。现在，中国空间站已开始正式向国内公开征集空间科学实验和技术实验项目。
太空实验具有独特的优势
太空环境很复杂，为什么要在太空做实验？这是因为利用载人航天进行科学实验有很多好处。首先，它可以提供长期的微重力实验条件，揭示被重力所掩盖的物质的特殊规律。在微重力环境下，很多物质的规律都会发生变化。例如，重力引起的浮力对流基本消失，燃烧特性发生变化，只是扩散燃烧。二是航天员可以在轨进行实验作业，更换实验设施和实验设备，进行长期实验。第三，在一定的轨道高度，方便我们进行天文和地球观测。在太空中观测，天文望远镜不受大气干扰。空间站可以在1.5小时左右绕地球一圈，每3天覆盖地球大部分陆地，可以对地球进行快速扫描和观测。第四，可以通过在天地之间来回穿梭，将实验样品带回地面，在地面上对样品进行长期研究，获得新的发现。
很多人都探索过太空实验的价值。例如，欧洲在太空饲养老鼠的研究已经领先了半年。通过在轨观察研究小鼠在太空微重力条件下的特征，并与地面研究结果进行比较，以了解在太空中生活对生物体的影响。它对细胞、神经系统甚至整个生命有什么影响，为人类太空探索奠定了基础。又如，科学家在国际空间站进行微重力燃烧实验，发现了“冷焰”的特殊现象，即火焰熄灭后物质仍在燃烧，即在极低温条件下，燃烧不会停止。利用这一现象可以提高发动机特别是柴油机的燃烧效率，使发动机的污染排放更小，对发动机的设计改进具有重要的指导作用。
先进丰富的实验条件
中国空间站将是一个先进的空间实验室，可以满足各种实验需求。一方面，实验舱内有大量的科学实验柜，支持舱内全方位的科学实验，包括生命科学、流体科学、材料科学、基础物理等。例如在基础物理，我们将布置一个超冷原子实验柜，研究温度接近绝对零摄氏度的超冷原子气体的一些特殊物理规律。中国空间站拥有高精度冷原子钟时频系统，30亿年精度小于1秒，可为导航等应用提供参考频率和时间信息。另一方面，舱外还有一些标准的负载适配器，以及一些大负载的挂点，舱外可以进行天文观测、地球观测、空间物理等研究。此外，宇航员还可以升级或更换实验条件，进行更多的实验。
一提到实验条件，人们自然会想到运营中的国际空间站。与中国空间站的实验条件相比，它们如何？答案是“稍后再来”。就实验柜而言，中国在设计和实验参数上都取得了进步。比如空间站材料实验柜的处理温度已经扩大，国际空间站可以达到2000多摄氏度，而中国可以达到3000摄氏度。
具备上述实验条件无疑是非常困难的。就实验柜的发展而言，需要克服各种困难。首先是确保可靠性和安全性。所有实验设施不得影响航天员生命，不得有危险因素。例如，燃烧实验必须控制，不能引起火灾。二是采用特殊的控制手段。空间站上的大部分实验都是独立完成的。无论是样品运输、分析的实验过程，还是观测设备的定点观测，都需要开发不同于地面的控制方法。很难想象。例如，要在太空中饲养一只老鼠，它需要提供氧气、水和食物，但它会漂浮在太空中。它如何设计成可以吃东西和喝水？老鼠也会产生大量的粪尿，需要在特定的时间点排出。在狭小的空间里，很长一段时间（至少半年）解决这些问题是非常困难的。
创新的可实现性至关重要
本次征集面向国内科学家。实验项目包括十多个研究方向，包括空间生命科学，对动物、植物、微生物、细胞等进行研究；流体科学，研究微重力流体下的一些特殊规律；教授基础物理、超冷原子物理。研究和了解超冷状态下的原子定律。此外，还利用大型舱外设施观测宇宙，研究宇宙的起源和演化，研究黑洞和暗物质。
为了提高申请者的成功率，建议注意以下三个方面。首先，提交的实验必须满足与空间的相关性，需要使用微重力条件或空间辐射等特殊条件。二是实验的创新性和先进性更加突出。比如这种实验在国际上没有做过，或者在国际上做过但做得不好，或者加入了原创的新东西。第三，实验应该是可以实现的。充分考虑现有装置和实验柜是否能满足实验条件的要求，如果不能满足，是否可以开发新的实验装置。
实验项目申请流程大致分为以下四个步骤。第一步是项目征集。目前已开通申请网站，接受网上申请；第二步，进行正式审查，初步筛选出符合条件的项目。第三步，交流评审，邀请同行专家进行同行评审；第四步中国在研究反重力引擎，开会评审，组织各领域专家进一步梳理这些申报项目。在此基础上形成项目建议书。
如果是条件比较成熟的项目，我们会尽快安排立项流程；如果项目只是有一个好的想法，我们可以在实地进行培养，并在启动项目之前进行足够的研究。本次征集将于今年8月31日结束。后期审核和立项，请关注中国航天官网发布的相关消息。
学生可以申请科学实验
值得注意的是，中国空间站还收集科普项目。如果大学生和高中生有好的想法，可以申请，有可能在太空中实现。这方面已有先例。天宫二号开展的太空养蚕实验项目是由香港中学生提出的。实验取得了丰硕的成果，对全社会特别是青少年进行了很好的科学知识普及，激发了他们探索宇宙的热情。
由于环境的特殊性，空间站的实验操作分三种方式进行。一是实验装置通过自动控制自主完成，大部分实验都是通过这种方式完成的。二是通过地面运行控制中心远程控制实验运行，包括参数调整或设置。三是协助在轨航天员，如更换样品批次，或完成生命科学实验中的精细操作，进行在轨观测等。现在有新型宇航员，他们本身就是有效载荷专家，上太空进行科学实验，在短时间内分批完成相关实验。
对于对空间科学实验感兴趣的中国科学家，中国空间站将为他们搭建一个前所未有的实验平台。如果他们提交了一个太空实验项目，如果他们被选中中国在研究反重力引擎，如果他们通过测试，他们可以参与负载专家的选拔，他们有望在太空中进行自己的实验。
（作者为中国科学院空间应用中心应用开发中心主任张伟）
《人民日报海外版》（2019年07月06日第08期）
