夢天實驗艙

自1971年以來，在國際載人航天發展歷程中，從蘇聯發射禮炮一號試驗性空間站起，到國際空間站的建造與運營，再到中國空間站啓動建設的五十年間，載人航天領域沒有間斷的活動就是空間站建設和應用。

中國空間站作為世界上第三座多艙段在軌組裝建造空間站，在系統設計上充分借鑑了和平號空間站和國際空間站的經驗教訓，堅持立足中國基本國情，秉持規模適度、安全可靠、技術先進、經濟高效的理念，充分利用已有條件，着力發揮後發優勢，走出一條創新型跨越式發展道路。

中國空間站任務定位是國家級太空實驗室和國際科技合作交流平台，戰略目標是：建成和運營近地載人空間站，使中國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人蔘與科學技術實（試）驗能力，能夠綜合開發利用太空資源的國家。通過中國空間站的建設，中國將在特殊的太空環境中搭建起有人蔘與的科學探索與技術創新國家級太空實驗室，航天員和科學家將經常往來於天地之間，開展大規模的空間科學實驗和技術試驗，進一步推動中國創新型國家建設，顯著提升中國在國際科學技術領域的影響力 ^[29]  。

2013年3月，中國載人航天總工程師周建平介紹，根據載人航天工程規劃，中國空間站擬按長期載3人狀態設計，運營階段每半年由載人飛船實施人員輪換。載人空間站建成後，將成為中國空間科學和新技術研究實驗的重要基地，在軌運營10年以上。空間站建設初期將建造三個艙段，包括一個核心艙（即天和核心艙）和兩個實驗艙（即問天實驗艙、夢天實驗艙），核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接於兩側 ^[41]  。

2011年冬，上海航天技術研究院開始中國空間站相關艙段的方案論證工作 ^[43]  。

2012年5月23日，中國國家空間站系統分工定點確定，上海航天技術研究院負責空間站實驗艙Ⅱ（即夢天實驗艙的前身 ^[44]  ）總體研製工作。方案伊始，實驗艙Ⅱ的主要任務是裝載多功能光學系統，整個飛行器大約一半的空間都圍繞着如何承載巨大的光學系統而開展設計 ^[42]  。

2014年，歷經2年研製，實驗艙Ⅱ攻克了結構力學設計一系列難題，就在方案設計工作接近尾聲時，為獲取更好觀測效果，原本搭載在實驗艙Ⅱ裏的光學系統設計方案發生重大變化，光學載荷改為採用獨立飛行器方案，與空間站共軌飛行，實驗艙Ⅱ的主任務、方案設計都需要調整。研製方隨後重新論證並完成實驗艙Ⅱ的新方案設計。

2015年4月1日，實驗艙Ⅱ被正式命名為“夢天實驗艙” ^[42]  。

2019年底，歷經6年初樣研製，2年正樣研製，夢天實驗艙在上海完成總裝和測試後，被轉運至天津進行整艙力學與熱試驗 ^{[44]  [46]}  。

2020年5月5日，中國載人空間站工程研製的長征五號B運載火箭，搭載新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙，在文昌航天發射場點火升空將載荷組合體成功送入預定軌道，首飛任務取得圓滿成功，實現空間站階段飛行任務首戰告捷，拉開中國載人航天工程“第三步”任務序幕。中國空間站核心艙已完成正樣產品總裝，夢天實驗艙在開展初樣研製 ^{[1]  [45]}  。

2021年4月，夢天實驗艙完成初樣研製轉入正樣研製階段 ^[49]  。

2022年7月，夢天實驗艙完成正樣熱試驗。8月，夢天實驗艙完成出廠前所有研製工作，運抵至文昌航天發射場。9月，執行夢天實驗艙發射任務的長征五號B遙四運載火箭已完成出廠前所有研製工作，安全運抵文昌航天發射場 ^{[1-3]  [5-6]  [8]}  。

2022年10月25日，夢天實驗艙與長征五號B遙四運載火箭組合體已轉運至發射區，到達發射塔架 ^[9-10]  。10月29日，中國空間站夢天實驗艙任務組織發射前系統間全區合練。各系統狀態良好 ^[11]  。

中國空間站命名為“天宮”，具有鮮明的中國特色和時代特徵，總體方案優化，通過交會對接和轉位組裝構成空間站本體。其基本構型包括天和核心艙、問天實驗艙Ⅰ和夢天實驗艙Ⅱ，每個艙段規模20噸級。空間站在軌運行期間，由神舟載人飛船提供乘員運輸，由天舟貨運飛船提供補給支持。空間站設計壽命10年，可根據需要，通過維護維修進一步延長壽命。額定乘員3人，乘組輪換期間短期可達6人。

天和艙用於空間站的統一管理和控制以及航天員生活，有3個對接口和2個停泊口。停泊口用於問天艙、夢天艙與天和艙組裝形成空間站組合體；對接口用於神舟飛船、天舟飛船及其他飛行器訪問空間站 ^[2]  。

中國空間站於2022年前後完成建造，一共規劃12次飛行任務。長征五號B運載火箭首飛成功，標誌着空間站工程建設進入實質階段。該次任務後，將先後發射天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙，進行空間站基本構型的在軌組裝建造；期間，規劃發射4艘神舟載人飛船和4艘天舟貨運飛船，進行航天員乘組輪換和貨物補給 ^[1]  。

中國空間站將形成“三艙三船”構型，其中的“三艙”包括：天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙 ^{[28]  [30]}  。

夢天實驗艙由工作艙、載荷艙、貨物氣閘艙和資源艙組成，可為航天員提供超過32立方米的工作與活動空間 ^[32]  。

夢天實驗艙和問天實驗艙一樣，配備了2套大型柔性太陽翼，單翼翼展長達27米，單套太陽翼展開面積達138平方米，並首次採用“二次展開”技術，夢天實驗艙升空後，先部分展開太陽翼以滿足能量需求，對接完成後再全部展開，屆時為中國空間站打造強勁的能量源泉，在空間站建成後為三艙組合體提供80%的能量 ^[31]  。

夢天實驗艙主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學等多學科方向的實驗櫃，支持開展重力掩蓋下的材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。以材料科學為例，一般材料的製備過程都是先把材料加熱，熔融成流體，這個過程會受到重力影響。在空間飛行時，可以研究材料沒有重力時會發生什麼現象，能反過來促進地面上材料科學的研究、材料的加工，提升效率、提高質量 ^[4]  。

夢天實驗艙發射採用的長征五號B火箭是在長征五號基礎上，為滿足中國載人空間站工程需求，按“通用化、系列化、組合化”設計思想研製的一款大型運載火箭。火箭全長約53.7米，採用一級半構型，由直徑5米的芯一級+4個直徑3.35米的助推器+艙罩組合體組成，其採用的少級數設計理念和箭地接口的零秒連接器等技術，有效提升了火箭的固有可靠性和安全性；長征五號B火箭整流罩長20.5米、直徑5.2米，是中國現役有效載荷容積最大的火箭整流罩，能更好地滿足空間站艙段發射任務；該火箭採用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，起飛重量約849噸，近地軌道運載能力大於22噸，是中國現役近地軌道運載能力最大的運載火箭 ^[38]  。

長征五號B火箭於2020年5月5日成功首飛，代表了中國運載火箭技術的最高水平。長征五號B遙四運載火箭執行發射空間站夢天實驗艙任務 ^[39]  。

長征五號B運載火箭是中國現役近地軌道運載能力最大的火箭。火箭研製總體單位是中國運載火箭技術研究院；總指揮是王珏；總設計師是李東 ^[40]  。

2022年10月31日15時37分，夢天實驗艙搭乘長征五號B遙四運載火箭，在中國文昌航天發射場發射。約8分鐘後，夢天實驗艙與火箭成功分離並準確進入預定軌道，發射任務取得成功。

2022年11月1日4時27分，夢天實驗艙成功對接於天和核心艙前向端口，整個交會對接過程歷時約13小時 ^{[14]  [16-18]  [20]}  。

2022年11月3日，神舟十四號航天員乘組進入夢天實驗艙 ^[22]  。他們將圍繞夢天實驗艙載人環境建立、開展組合體關係功能測試、拆解貨包等一系列工作 ^[24]  。夢天實驗艙8個科學實驗櫃陸續加電開機，即將開始在軌測試。 ^[26] 

2022年11月3日，隨着空間站夢天實驗艙順利完成轉位，中國空間站天和核心艙、問天實驗艙與其相擁 ^[21]  ，標誌着中國空間站“T”字基本構型在軌組裝完成，向着建成空間站的目標邁出了關鍵一步 ^[23]  。

2023年2月16日，夢天艙燃燒科學實驗櫃成功執行首次在軌點火測試。 ^[50] 

2023年7月20日晚9時40分，經過約8小時的出艙活動，神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮密切協同，在空間站機械臂支持下，圓滿完成出艙活動全部既定任務，航天員景海鵬、朱楊柱已安全返回空間站問天實驗艙，出艙活動取得圓滿成功。 ^[54] 

航天員出艙活動期間，完成了核心艙全景相機B在軌支架安裝及抬升、夢天艙全景相機A和B解鎖及抬升等任務，全過程順利圓滿。

夢天實驗艙主要面向微重力科學研究。中國科學院作為國家戰略科技力量主力軍，研製了超冷原子物理實驗櫃、高精度時頻實驗櫃、高温材料科學實驗櫃、兩相系統實驗櫃、流體物理實驗櫃、燃燒科學實驗櫃、在線維修裝調操作櫃等7個方面的8個科學實驗櫃，能夠在微重力基礎物理、空間材料科學、微重力流體物理與燃燒科學等方向開展相關的科學實驗和應用研究 ^[25]  。

空間站超冷原子物理實驗系統（簡稱超冷櫃，縮寫CAPR）是中國空間站夢天實驗艙主要科學載荷之一，期望為超冷原子物理研究提供一個長期在軌穩定運行的實驗系統，是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平台。利用近地軌道優越的永久微重力條件和新型兩級蒸發冷卻等新方法，超冷櫃有望製備地面無法實現的距離絕對零度以上千億分之一度範圍內的超低温量子氣體，觀測到肉眼可見的宏觀量子現象，原子之間相互作用時間增長3個數量級以上。

超冷原子物理實驗櫃突破了全光纖激光鏈路、高精度激光穩定、大電流磁阱控制、超高真空長時間斷電保持、高精密光機、高精度振動隔離等一系列關鍵技術，將地面上龐大複雜的冷原子實驗室集成為符合載人航天標準的、可在軌自動運行的、高可靠空間冷原子實驗平台，為中國的空間原子物理基礎研究和量子技術應用奠定基礎 ^[27]  。

高精度時頻實驗櫃利用空間站的微重力環境、較大載荷能力和航天員照料等優勢，研製高性能的原子鐘以及高精度時頻系統， 是時間頻率研究的制高點。高精度時頻系統將對相關基礎物理研究和相關工程應用做出重要貢獻，也將為中國標準時間和國際原子時精度的提高做出重要貢獻 ^[27]  。

燃燒科學實驗系統為科學家提供了一個可擴展的綜合性研究平台，有望產出一批代表性的科研成果，對於完善燃燒基礎理論、發展先進燃燒技術有着重要意義 ^[27]  。

在地面科研人員和航天員協同配合下，夢天艙燃燒科學櫃中的實驗系統成功執行首次在軌點火測試，驗證了空間站燃燒科學實驗系統功能的完備性，以及整體實驗流程的準確性與科學性，為後續項目順利實施打下良好基礎。 ^[51] 

2023年，夢天實驗艙燃燒科學實驗櫃成功實施首次在軌點火實驗。 ^[52] 

高温材料科學實驗櫃(2張)

高温材料科學實驗櫃是支持在空間站微重力環境下進行材料製備、加工、原位檢測、實時觀察和診斷於一體的新型實驗裝置，裝置的最高工作温度、温度穩定度、樣品數量、實時觀察成像技術等均處於國際領先水平。

高温材料櫃採用標準化、模塊化設計，由控制模塊、高温爐模塊、批量樣品管理模塊和X射線透射成像模塊組成，支持模塊在軌更換和升級。高温材料櫃為空間材料科學研究提供了多樣化的先進技術條件和功能，豐富了材料科學家在太空中進行高温金屬及合金材料、半導體材料、晶體材料、複合材料、能源材料、生物材料、納米材料和新材料研究，對研究微重力下材料科學基礎科學問題，解決中國發展高端裝備、大科學工程、高端芯片急需的“卡脖子”材料中的關鍵科學問題和技術有重要的幫助，為研發顛覆性的材料製備技術和特殊應用背景材料的研究提供了堅實的基礎。首批上行了16支科學實驗樣品，首批樣品完成在軌試驗後，有望獲得若干具有價值的原創性的空間科學研究成果 ^[33]  。

兩相系統實驗櫃是針對國際空間應用兩相系統前沿科學方向研製的國際首個專門用於開展空間相變界面流動、蒸發與冷凝、沸騰和熱管傳熱、兩相流動、空間在軌流體管理等科學研究與技術驗證的整櫃級實驗平台。

依託該實驗平台通過系列空間科學實驗研究，可以揭示微重力環境下具有氣/液兩相流體與相變傳熱，熱、質傳輸特殊規律和探討重力變化的影響，發展熱、質交換複雜界面動力學科學理論，為解決中國載人航天工程和深空探測活動中遇到的空間應用流體物理及其兩相系統關鍵科學問題和工程技術研究提供新理論、新概念和新方法。實驗櫃開展的三個首批實驗項目將開展與歐空局之間的國際合作研究，提高中國空間站應用研究國際影響力和應用效果 ^[33]  。

流體物理實驗櫃主要用於空間微重力環境中流體的宏觀、微觀運動規律研究。微重力環境為流體研究創造了近乎理想的各向同性條件，在失重環境中流體可以形成地面無法構建的新體系，流體的運動表現出許多新規律、新機制，如地面由體積力主導的熱對流與太空由表面力主導的熱對流表現出極大的差異，流動結構、失穩過程的空間尺度和時間尺度大大增加，混沌轉捩途徑、湍流作用機制需要通過太空實驗研究來再認識。

流體物理實驗櫃配置了10套宏觀尺度的流體動力學測試系統，採用了先進的數字全息干涉、紅外熱像、粒子圖像測速及激光多普勒測速和高精度表面形變測量等技術，用於流體速度場、温度場、濃度場和表面形貌等直接測量。流體物理實驗櫃可開展不同流體體系的動力學過程、擴散過程，相變及自組織行為的在軌微重力實驗，超越了國際空間站3個已有的專用流體實驗櫃形成的綜合測試手段和能力，它將成為國際上技術最完備、設備最先進的空間流體物理實驗平台。此外，實驗櫃也支持空間材料製備、空間生物過程中與流體熱質輸運相關的交叉性科學與技術實驗研究 ^[33]  。

在線維修裝調實驗櫃，可以簡稱為在線櫃，可以把它看作是一個“太空維修工廠”，一個“裝配車間”，也可以看作一個實驗室。這個櫃子最核心的部分就是上面這個非常大的多功能操作箱（在線維修操作支持單元），有效操作體積＞360立升，前面有個透明的面板，可以看到箱內的環境，也可以通過面板上的兩個操作孔，利用手套從外部對箱體內的載荷進行操作，或者把這個透明面板打開，直接對裏面的載荷進行操作。箱體裏還配備有一套7自由度的靈巧機械手，可以實現多種類的精密操作，操作精度可以達到0.1毫米。

另外，基於增強現實技術的智能誘導維修系統，可以幫助航天員維修操作一些複雜的設備。航天員可以不再使用傳統的説明書、操作手冊等產品，而是選擇戴上增強現實眼鏡，配合誘導維修軟件的指引，在真實的待操作產品上疊加預先製作好的操作指引動畫進行操作。航天員還可以直接在虛擬界面上選擇需要的操作步驟演示，能夠輕鬆、清晰、直觀的瞭解操作過程。

在線維修裝調實驗櫃重點支持開展以下工作：支持旨在航天員的操作支持，完成空間應用系統載荷模塊/載荷單元的組裝、測試，完成在軌可更換單元的更換及部分模塊的深度維護和維修，併為未來重要器件的維修更換探索技術，為科學實驗系統技術指標的在軌提升做支撐；降低航天員地面訓練和在軌操作負擔，併為全自動化操作進行技術和應用模式的探索；在航天員的輔助下，完成在軌精細操作；支持符合要求的獨立載荷模塊項目開展實（試）驗與應用，為遙科學技術試驗提供通用技術條件；開展空間應用任務在軌維修保障模式的試驗驗證，開展在軌維修裝調操作新技術試驗與應用研究 ^[33]  。

2023年11月，神十七乘組的三名航天員還進行了載荷出艙工作，實驗載荷通過夢天艙貨物氣閘艙的艙門進行自動出艙，展開相關空間暴露實驗。 ^[56] 

夢天實驗艙具有四個特點：最硬核，支持空間站更強科學實驗；最智能，貨物自動進出艙，打造“太空貨運港”；最酷炫，支持在軌釋放微小衞星；最頂配，雙“翼”驅動實現用電無憂，打造空間技術應用研究“夢工場”，打響中國空間站建造收官之戰 ^[35]  。

夢天實驗艙是專注於做實驗的艙段，是中國空間站三艙專門的工作室。在艙內帶了13個科學實驗機櫃，在艙外也佈置有37個載荷暴露平台（工位），會有更多的載荷進行艙外暴露載荷試驗。此前，問天艙上也設計了22個艙外載荷點，兩個實驗艙加起來，一共可以放置近60個艙外載荷，如果每次都靠航天員出艙放置和回收，會給它們帶來很大的負擔。而夢天艙載荷艙內的貨物氣閘艙段為了實現貨物自主進出專門設計。只要貨物氣閘艙分別打開內艙門和外艙門，就可以通過載荷轉移機構和機械臂來實現貨物在艙內外的進出。航天員在工作艙內穿着艙內航天服就可以非常靈巧地把載荷裝載在機械臂上面，隨後自動伸出去，會有一個靈巧的設計，轉90度就伸出載荷艙了。可以讓艙外的機械臂接力工作，把載荷放到預定點位，完成不適合航天員攜帶的載荷安放就位 ^[48]  。

夢天實驗艙增加了一項新技術——支持在軌釋放微小衞星。實驗艙上配置的微小衞星在軌釋放機構，能夠滿足百公斤級微小衞星或者多個規格立方星的在軌釋放需求 ^[32]  。載荷轉移機構的運送能力達到400千克，單次運送貨物包絡尺寸可達1.15×1.2×0.9米 ^[34]  。

航天員只需在艙內把立方星或微衞星填裝到釋放機構的平台內，釋放機構即可搭乘載荷轉移機構將小衞星運送至艙外。出艙後，機械臂抓取釋放機構，運動到指定的釋放方向，釋放機構就會像彈弓一樣，把小衞星彈射出去，實現夢天實驗艙在軌“放衞星”。有了這項新技術，中國空間站可為立方星、微衞星的釋放提供最前沿的出發地，實現微衞星和立方星低成本進入太空 ^[32]  。

2023年6月9日~10日，空間站夢天實驗艙空間輻射生物學暴露實驗裝置（以下簡稱空間輻射生物學裝置）經由機械臂抓取，從貨物氣閘艙出艙，經過中轉位，順利安裝至既定的艙外暴露平台，裝置開機工作正常。這是我國首次開展艙外輻射生物學暴露實驗，對輻射生物學和空間科學研究具有里程碑式的意義。 ^[53] 

2022年8月8日，中國載人航天網公佈夢天實驗艙飛行任務任務標 ^[7]  。

2022年11月，中國集郵公司發行《中國空間站夢天實驗艙飛行任務紀念》郵折。

夢天實驗艙，作為中國國家級太空實驗室主力艙段，將大幅度提升中國空間站在軌進行科學實驗的能力，在技術開發應用、生物學、物理學等一大批前沿領域或將有新的關鍵性突破發現，進而推動科技發展，“拉近”遙遠的未來 ^[34]  。

夢天實驗艙已經安排了約40項科學實驗項目，與其他空間站艙段構成中國未來10年規模最大的空間綜合研究實驗平台，最終建成中國國家太空實驗室，預期能夠產生一批具有國際影響的重大發現，揭示若干重要的科學規律，並同步推進應用和技術轉移，進一步推動中國空間科學整體水平的提升 ^[47]  。

夢天艙是中國空間站三艙組合體的最後一個艙段，該艙段內的大容量，為中國空間科學實驗和研究提供了更好的平台。與此前更多聚焦生命科學實驗的問天艙相比，夢天艙將開展更多領域、更多類型的空間科學實驗。其中一個超冷原子物理實驗櫃，還有世界上在軌最高精度時頻系統，可以支持天地時間比對，包括天基授時，甚至對於未來遠景的太空旅行可以有很好的時間基準。夢天艙的實驗雖然側重空間科學基礎研究，但是在研究基礎理論的同時，科學家們也希望能儘快讓研究成果投入應用。比如，聽起來似乎很陌生的兩相系統實驗櫃，就是研究液體加熱後蒸發、遇冷後凝結這樣的現象在太空中會有哪些變化，這些研究結果將對後續的航天工程有很大意義 ^[48]  。（央視網、澎湃新聞、北青網 評）