太空空间站的工作原理（美国实验舱运行21年）

万众期待之下，中国空间站的第一个实验舱“问天舱”发射升空，它与“天和”核心舱对接之后，使中国正式迈入永久性太空科学实验室阶段，这距离全球第一个太空实验室发射就位刚好过去了21年。

问天实验舱准备与空间站对接

2001年2月，美国亚特兰蒂斯号航天飞机将长8.5米、直径4.3米、重14.5吨的“命运号”送往国际空间站，这个太空实验室里有8个实验机柜。20年来，各国科学家利用它们进行了数以百计的医学、生物技术、工程、物理学、材料科学等研究，产生出许多科学成果。

有朋友说：“科学无国界啊！人家都已经搞了那么多研究，远远地走在了前面，我们直接拿来用就好了，为什么还要耗资千亿搞空间站、发射实验舱，重复做别人做过的科学实验呢？”

国际空间站美国命运号实验舱

什么是“科学无国界”？它是指人类在科学探索中发现的成果可以被全人类共享。比如说牛顿“三大定律”、爱因斯坦的“相对论”、中国和古希腊数学家的“勾股定理”、门捷列夫的“元素周期表”，以及课本里许多公理、定律、公式全是公开的，我们都可以学习并且无偿地拿来使用。

但是法国科学家巴斯德在提出“科学无国界”的同时还说“科学家有祖国”，这后半句话却经常被一些人所忽略。

太空流体实验

截至目前，国际空间站总共接待了来自20个不同国家和地区的251名宇航员和“太空游客”，其中没有一位中国公民；国际空间站上完成了数以千计的科学实验，也没有一个来自中国或有中国科学家参与。尽管我们愿意参加，欧空局和俄罗斯也提出他们乐意发出邀请，但美国独家反对，它在国际空间站有“一票否决权”。

为什么会这样？不是说科学无国界吗？

“科学无国界”不包括科学技术，换句话说我可以选择让你“知其然”，但发现这个规律的过程，使用的技术和设备，你看都不许看，你不能“知其所以然”。

我们说“科学技术是第一生产力”，这里包含了科学与技术两个方面，二者相辅相成，你只有明白了科学道理，并且全面掌握其技术，才能极大地促进经济发展和社会进步。人家对我们搞技术封锁甚至不择手段地打压，其目的就是阻挠我们进步，不愿意我们过上更加美好的生活。

中国航天员在调试舱外航天服

人家有了空间站、太空望远镜、对撞机，有了许多科学成果，或者栽了跟斗，我们就不需要再搞了？搞就是浪费钱？

国际空间站到目前为止已经花费了大约2000亿美元，为了维持其寿命预计还要花许多钱。尽管中国空间站的建造成本会低许多，但据乐观的估计也将达到千亿人民币的规模。为什么世界各国要投入巨资搞空间站，把科学实验搬到天上去做，在地面做实验不是很好吗？

与地面不同，太空实验有其独有的优势：微重力，以及舱外的高真空、强辐射等极端环境，这在地面是无法模拟的。

地球有重力，宇航员回来需要适应

我们生活在地球上，因为物体之间的万有引力，重力无处不在，任何东西都会落到地面。重力不仅限制我们人的活动，也会对物质的变化造成影响。

比如说由于空气分子受到重力的影响包裹在地球周围，同时产生的热对流会使物体燃烧的火焰和烟气向上走。但是在微重力环境里，火焰是一个均匀的、向各个方面辐射的“球”，这使得燃烧相对于地面拥有了许多不同的特性。这对于热力学研究很重要，却只能到太空才能做。

微重力下的燃烧

再比如说晶体的生长实验：我们知道水晶是在高温高压下由超饱和溶液中的二氧化硅分子一点一点结晶而成的，但是由于重力和溶液中形成的热对流等因素影响，结晶过程中往往不完美，会产生一些瑕疵。为了得到更好的晶体来生产光刻机的透镜，我们往往需要付出极大的成本，但如果将这一结晶过程放在微重力环境下，就能更快更方便地制造出完美的透镜。

在微重力下结晶更完美

为了人为创造一个微重力环境，我们需要让重力加速度归零。牛顿力学告诉我们，只要空间站在400公里高度以每秒7.68公里的速度绕着地球飞行，当它的轨道接近正圆时，飞船里的重力与“离心力”大小相等方向相反，两个力相互抵消，物体就处于“失重”状态。

重力不会消失，它只是被抵消

这种“失重”的感觉，在地面只有跳楼的人才能短暂体会到，你无法制造超过30秒的自由落体，因为空气阻力会把物体向上拖拽。要想克服重力影响，科学实验只能在空间站的实验舱里进行。

与美国“命运号”实验舱相同，我们的“问天”实验舱内也有8个实验机柜，这些机柜主要用来做生命生态、生物技术、变重力，以及与微重力有关的基础科学实验。

问天实验舱内部分实验机柜

“问天”实验舱比美国“命运”实验舱长了一倍、重了6吨多，因为它的工作舱里不只有8组实验机柜，还设置了航天员的休息区、储存区、气闸舱和出舱口，还可以作为核心舱的备份，为空间站提供动力和控制。在“问天”实验舱的外面还设有暴露实验平台，可以搭载额外的设备从事太空暴露实验。未来梦天实验舱搭载的科学实验设备还要更多。

中国空间站核心舱与实验舱

暴露在极冷和极热循环、高真空、高辐射、原子氧侵蚀等极端环境中的空间应用材料、电子元器件、细菌等生物体会受到外太空环境的显著影响，而这种综合环境在地面很难进行模拟。而在空间站反而能以最低的成本达成科学实验目标。

综合以上分析，我们之所以下大力气发展自己的空间站，最主要的目的是把科学技术牢牢掌握在自己手里。利用天宫空间站系统性地开展空间生命科学及生物研究、空间基础物理、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料的科学研究和制造。天宫还为天文和地球观测、空间物理和新技术实验提供了平台。

科学或许没有国界，但我们必须要把科学技术掌握在自己手里。

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