飞天圆梦 | 航天基础试验机柜知多少

我国空间站工程航天技术试验领域面向国家重大专项技术验证需求和航天技术发展前沿，开展制约我国航天长远发展的关键技术研究。目前，航天技术试验领域航天基础试验机柜已随空间站梦天实验舱进入中国空间站，将为试验载荷提供机械安装、供电管理、信息管理、热管理等标准化接口，并提供无线通信、数据存储等扩展功能，支持各类试验项目的在轨滚动实施，为航天新技术的创新发展提供了强大的验证平台。“解码梦天”第八期带你了解。

航天基础试验机柜示意图

航天基础试验机柜

强大的试验支持能力

航天基础试验机柜具备结构机构、配电控制、信息管理、热控和真空排气等五大基本功能，以及公用支持扩展功能，为各类载荷在轨试验提供机、电、热标准化接口。载荷单元通过标准“抽屉”的形式安装在机柜中，并能根据载荷需要，以最小的I型载荷单元为基础，适应多型规格的载荷单元以不同形式组合安装，灵活多变。

I型载荷单元示意模型

结构机构功能为试验装置提供标准机械安装接口支持，并通过维修性设计支持航天员对试验装置进行在轨安装、维修和更换，从而支持各类试验项目的滚动实施。

配电控制功能为试验装置提供标准配电管理接口支持，为试验装置提供能源供给和统一管控，并通过控制装置和过流保护装置实现试验装置与空间站平台之间供电接口的隔离，确保平台安全。

信息管理功能为试验装置提供标准信息管理接口支持，实现试验装置工作模式控制、状态检测、数据下行等信息接口的综合管控。

热控功能为试验装置提供标准散热接口支持，收集试验装置热流并统一排散。

真空排气功能为试验装置提供标准抽真空接口支持，满足特定试验项目的真空度需求。

公用支持扩展功能为试验装置提供标准扩展接口，如WIFI、数据存储等，可实现机柜附属项目的扩展支持。

首批试验项目大揭秘

此次随梦天实验舱共上行了五个技术试验项目，其中多个项目尚属国际首次。

空间微生物防控技术试验

随着航天基础试验机柜完成各项入轨后测试，载有微生物样品黑曲霉和多种航天器材料的试验装置即将启动试验。空间站的微生物防控试验将揭秘空间环境中的微生物生长情况，以及在微重力下微生物对航天器材料的腐蚀特性。

微生物在轨防控技术试验项目依托微生物防控材料试验装置和微生物防控技术试验装置，用于支持空间环境下微生物腐蚀特性和机理、微生物菌群变化与耐药特性衍化等科学研究，同时开展空间环境下微生物控制、检测等多项关键技术验证，将为我国空间站的长期安全运行提供有力保障。

空间环境中的微生物如何“吃掉”材料？

对于地球上的微生物而言，进入空间站将面临空间的微重力环境。微重力能够影响微生物的生长、繁殖和代谢，原本在地球上“无公害”的微生物在空间环境下可能会发生变化。这些微生物从航天器材料中吸取营养并且分泌腐蚀物质，一步步的“吃掉”航天器材料，进而造成材料腐蚀，影响航天器的正常运行。

微生物防控材料试验装置将完成国际首次高通量在轨微生物防控实验，该装置攻克微重力条件下材料表面微生物生长主动控制、微生物污染隔离保护等多项关键技术，耦合高精度图像采集技术，能够同时开展多通道、多参数、模块化的在轨试验。空间站在轨运营期间，该装置作为空间站生物安全领域的重要科学研究和技术验证平台，将开展多批次的空间环境微生物腐蚀特性和机理、微生物菌群变化与耐药特性衍化等科学研究。

微生物防控材料试验装置

如何避免空间站的材料被微生物“吃掉”？

在空间环境的密闭条件下，空间站中的环境微生物污染情况比地面明显，更容易“吃掉”航天器材料。如何对空间站的环境微生物进行控制，避免航天器材料被微生物“吃掉”，是亟需验证的关键技术问题。

微生物防控技术试验装置首批次试验中配置了检测模块、采样模块、消杀模块、菌斑清除模块。各模块经过研制团队的专项设计，突破了在轨表面微生物采样-检测一体化、自动化核酸扩增检测、接枝型长效安全抗菌等关键技术。该项目中，配置了多个功能模块，各个模块可独立完成对空间站中微生物采集、检测、消杀和清除等关键技术进行验证。试验成果将为空间站微生物安全防控体系构建提供重要的科学数据支撑。

微生物防控技术试验装置

斯特林热电转换技术试验

空间高效斯特林热电转换装置可将热能转换为电能，属于动态空间热电转换电源技术，相较于传统的静态温差转换电源技术，具有高效率、高比功率等显著特点。目前，国际上尚未见公开发表的开展斯特林热电转换技术空间应用的报道。此次空间试验的目的是进一步验证在空间环境下该项技术的适应性及可靠性，获得该技术在轨飞行应用数据，进而结合在轨飞行试验数据优化产品设计，为我国空间先进电源技术的发展提供技术支持，为未来深空探测计划提供技术储备。

作为未来空间任务的高效“能源供应系统”，斯特林热电转换装置的核心技术之一是维持其内部两个活塞的高频往复运动。该项目中，创新设计了模块化的集成结构，可实现高温高频工况下双自由活塞的精确控制，从而将热能高效转换为电能。整机在地面测试中其热电转换效率达24.4%，性能达到国际先进水平。

空间高效自由活塞斯特林热电转换技术试验是目前国内转换效率最高的空间能源转换装置，此次验证试验具有“里程碑”式的重大意义。

双机对置自由活塞斯特林热电转换器

电刷-滑环磨屑迁移成像技术试验

电刷-滑环磨屑试验装置用于研究空间电刷-滑环机构磨屑在真空、失重和复杂电磁场共同作用下的真实运动规律，揭示电刷-滑环磨屑在轨运动机理。

电刷-滑环机构是一种利用摩擦原理实现转动件和固定件之间功率和信号传输的重要装置，被广泛应用于卫星上各类空间机电产品中，如：太阳帆板驱动机构（SADA）、控制力矩陀螺（CMG）、激光通信指向机构（CPA）和空间扫描机构等。

由于采用摩擦原理进行工作，在工作过程中必然会产生磨屑。那么磨屑在空间真空、失重以及复杂电磁场共同作用下究竟是如何运动的呢？

地面上，由于重力影响，我们很难真实地模拟电刷-滑环机构磨屑的在轨真实运动状态，磨屑究竟是会朝着某个方向定向运动，还是会在某个地方发生堆积团簇。对于这一问题，国际上也一直存在争议。本次空间站在轨试验，我们将有望直观地观测到电刷-滑环机构磨屑在轨的运动或团簇现象，结合设定的边界条件，分析磨屑的运动规律，揭示磨屑的运动机理，为后续空间电刷-滑环机构的优化设计奠定基础，为航天器在轨长寿命可靠运行提供技术支撑。

电刷-滑环磨屑技术试验为各类型电刷-滑环的磨屑在轨运动观测提供了试验平台，每批可以支持四套子样同时开展试验，每批试验完成后，可由航天员在轨更换子样。

电刷-滑环磨屑试验装置

本次试验是针对带电微小颗粒在真空、失重以及电磁场环境共同作用下的运动规律研究项目，研究成果将推动空间电刷-滑环机构组件的技术发展，对空间机电技术领域的进步具有深远意义。

微藻培养与熟化技术试验

微藻培养与熟化技术试验以微藻作为研究对象，将完成在轨微藻培养，探索微藻在失重环境下的长期培养技术以及微藻空间氧气释放速率，为未来构建封闭空间的高效产氧奠定技术基础；同时，开展微藻食品原位加工技术研究，探究微重力环境下液态食品的微波加热特性。

微藻是地球初级生产力的主要构成者，是地球大气成分的调节者，是人类生存所必须氧气的强有力制造者，其光合效率和生长速率远高于地球上的各类高等植物，是封闭空间清洁气体供给的理想对象；微藻在辐射、失重等复杂空间环境下具有很强耐受能力；更重要的是，多种微藻能大量合成蛋白质、脂肪酸、多糖、类胡萝卜素等生物功能活性物质，可作为安全的植物来源营养补充剂。因此，在地外的受控空间内，开展微藻生长机理及适应性研究的相关工作，对于未来人类走向更远的地外空间，意义重大。

微藻培养与熟化试验装置将完成固态和液态两种方式的微藻培养、液态微藻微波靶向熟化、液态试验样品采集及返回三项任务。以微藻作为研究对象，完成在轨液态基和固态基微藻培养，形成生长图谱，揭示微藻在失重环境下的长期培养技术以及微藻空间氧气释放速率，为未来构建封闭空间的高效产氧奠定技术基础；同时，开展食品原位加工制备关键技术和装置研制工作，并在轨完成液态基微藻靶向微波熟化试验，基于影像学观测以及返回藻液样本的电磁及功能特性测试结果，探究微重力环境下的微藻熟化特性。

微藻培养与熟化试验装置所开展的技术试验，是面向未来星际航行的一次有益的尝试和探索，为人类星际驻留、生保系统技术发展贡献一份中国力量。

液态金属空间热管理技术试验

在自然界，有一类奇妙的金属，它们在常温下是液体，可以像水一样自由流动，但却拥有金属的特性，同时当温度降低时，它们可以从液态转变为固态，从而展现出更为典型的金属特性，这就是液态金属留给人们的常规印象。从应用的角度看，液态金属如镓基合金、铋基合金这样的金属由于在常温或略高于常温的环境下可流动，导电性强，热学特性优异，易于实现固液转换，且沸点高，在高达2000°C时仍处于液相，在常温下导热能力和吸纳热量的能力远大于传统的导热剂，固态下具有与金属一样坚硬而柔韧的特性，可以说仅用单项材料就能将诸多尖端功能材料的优势集于一体，突破了许多领域传统技术的应用瓶颈，由此打开了极为广阔的应用空间，可望助推许多颠覆性技术与装备的发展。

液态金属热管理试验装置在轨开展液态金属流动换热技术和相变控温技术的空间环境试验，验证金属快速熔化、电磁驱动、密封和膨胀防护等液态金属散热关键技术，获取对流换热特性、相变控温曲线等重要数据，为我国未来空间应用液态金属高效热控技术提供技术验证和数据支持。

液态金属空间热管理试验装置

梦天实验舱上配置的五项技术试验是我国空间站工程航天技术试验领域在空间站建造期实施的首批试验项目，拉开了航天技术试验领域在空间站工程中的在轨试验序幕，为后续试验项目的顺利开展奠定了良好开端。

中国空间站“T”字基本构型已在轨组装完成，航天技术试验领域将依托航天基础试验机柜、舱外典型工位和暴露平台，持续开展航天器共性新技术、在轨制造与建造技术、机器人与自主系统技术、新型能源与推进技术、环控与生保系统技术等广泛主题的在轨试验研究，在轨期间将滚动实施大量技术试验项目，突破一系列核心技术，助力我国航天技术的跨越式发展。让我们拭目以待！

素材来源/中国空间技术研究院

编辑/陆金路