2016年9月，随着天宫二号的顺利升空，中国空间站建设大幕正式拉开。北京时间11月17日12时41分，神舟十一号飞船与天宫二号空间实验室成功实施分离，航天员景海鹏、陈冬即将踏上返回之旅。

相信有不少人跟小编一样对太空中的实验室充满了好奇，本期的科普之旅小编将带您开启神秘的天上宫阙之旅。

天宫一号——空间实验室也有试验版

载人航天工程前期，科学家们利用神舟系列飞船开展了 40 余项空间科学研究，包括空间材料科学、空间生命科学与生物技术、空间天文观测、微重力流体物理以及地球观测等方面研究，取得了一些有国际影响的研究成果。

中国科学家在神舟三号和神舟四号上开展了蛋白质结晶、生物细胞培养以及细胞融合等空间生物技术实验，在神舟八号上与德国科学家一起进行了线虫的空间行为和发育、微生物在空间的生长等 18 项空间生命科学研究。在神舟三号、神舟四号上利用我国自主研制的中分辨率成像光谱仪和多模态微波遥感器，开展了地球观测研究，获取了地球目标的详细光谱和海洋波浪、海风、海温等信息。在神舟七号上进行了固体润滑材料舱外暴露试验和伴随卫星试验。这些实验不仅取得了不少成果，而且为后续利用载人航天开展科学研究积累了丰富的经验。

天宫一号于 2011 年 9 月 29 日发射并成功进入太空。它并不是真正的空间站，而是用于试验我国未来空间站所需技术的首个空间实验室，目的是为我国未来建设空间站做准备。

空间实验室是设立在太空、用于开展各类空间科学实验的实验室，就好像把地面上的实验室连同里面的瓶瓶罐罐一起送到太空里一样。空间实验室的建设过程是先发射无人空间实验室，而后再用运载火箭将载人飞船送入太空，与停留在轨道上的实验室交会对接，航天员从飞船进入空间实验室开展工作。他们的生活必需品和实验工作所需的材料、设备均由飞船运送。载人飞船停靠在实验室外边，作为应急救生飞船，如果实验室发生故障，可以随时载航天员返回地面。航天员工作完成后，乘飞船返回。

空间站又称航天站、太空站、轨道站，是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单一式和组合式两种。单一式空间站可以由航天运载器一次发射入轨，组合式空间站则由航天运载器分批将组件送入轨道，在太空组装而成。

天宫一号长约9米、最大直径3.35米、重量约8.5吨，主体为短粗的圆柱形，直径比神舟系列飞船更大，前、后各有一个对接口。它采用两舱构型，分别为实验舱和资源舱。实验舱前端安装一个对接机构以及交会对接测量和通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。资源舱为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。

如果用大家生活中常见的住宅来打比方的话，天宫一号就好比一个用来给宇航员工作、睡觉、做科学实验的大套间，有工作间、生活间和厕所。在 6 米多长的舱里面，从舱头走到舱尾，两边是航天员要操作的设备以及各种生命保障系统和科学实验仪器。另外还有留给航天员的“卧铺”，比神舟系列飞船里的更舒服、更大。此外，还设有一个小型的空调系统，保证里面的温度适宜，有微风循环。和之前已经成功发射多次的神舟系列宇宙飞船相比，我国发射和建造空间实验室的关键是突破飞船空间交会与对接技术。空间交会与对接技术的难度很大。在对接过程中，如果计算不准，就可能发生飞船相撞事故。苏联的礼炮系列与和平号空间站都发生过因为对接失误而造成的事故。因此，需要进行大量试验才能掌握这一技术。

航天器的空间交会对接控制方法有两种。一种是人工控制，另一种是自动控制。用人工控制来完成太空交会对接可以提高交会对接的成功率。自动控制交会对接的可靠性高，不需要考虑人员的安全和救生问题。未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合，以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。而在实际操作中，要确保两个质量都在好几吨甚至十几吨的航天器，能够在各自都绕地球高速运动的状态下精准对接，就像张飞坐在旋转木马上用斧头把牙签竖着砍成两半一样，需要对空间位置非常准确的操作和推进器推力的精确调整。

2011 年 11 月 1 日，神舟八号无人飞船成功发射，并以天宫一号为目标成功进行了对接。和之前的神舟系列飞船相比，神舟八号增加了微波雷达、激光雷达、图像敏感器等交会测量设备，以及主动式对接机构，具备自动和手动交会对接与分离功能。交会对接任务的成功标志着我国空间交会对接技术取得重大突破，是我国载人航天事业发展历程中的重要里程碑。

2012 年 6 月 16 日，载着景海鹏、刘旺、刘洋 3 名航天员的神舟九号进入太空，首先于 18 日与天宫一号目标飞行器成功实现自动交会对接，形成组合体后 3 名航天员先后进驻天宫一号，成功实现了中国首次载人交会对接。24 日，天宫一号与神舟九号组合体分离，神舟九号自动撤离至距天宫一号 400 米处。之后，神舟九号在航天员手动控制下再次成功与天宫一号交会对接，第二次形成组合体，航天员再次进入天宫一号。2013 年 6 月 11 日，神舟十号载着聂海胜、张晓光和王亚平 3 名航天员成功发射并准确进入轨道。和神舟九号类似，神舟十号也分别完成了自动交会对接和手动交会对接，并首次成功实施了航天器绕飞交会试验，达到了预期效果。

值得一提的是，6 月 20 日，王亚平在聂海胜、张晓光的配合下，为全国6000 多万名中小学生进行了太空授课。航天员们分别进行了质量测量、单摆运动、陀螺、水膜和水球等实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话形式与地面课堂的师生进行了互动交流。这也是中国航天员首次在空间实验室对全国观众进行视频授课，进一步激发了广大青少年对宇宙空间的向往、对学习科技知识的热情，让青少年通过这次活动走近航天、了解航天、热爱航天。神舟十号与天宫一号的交会对接实现了中国载人航天飞行任务的连战连捷，为中国载人航天工程第二步第一阶段画上了圆满的句号。

天宫二号——中国首个真正意义上的空间实验室

天宫一号是空间实验室的试验版。而天宫二号是继天宫一号后，中国第一个真正意义上的空间实验室。天宫二号于 2016 年 9 月 15 日由长征二号 F 改进型无人运载火箭从酒泉卫星发射中心发射；2016 年 10 月 17 日，发射神舟十一号飞船，搭乘 2 名航天员，与天宫二号对接，进行人在太空中期驻留试验。

2017 年上半年，长征七号运载火箭发射天舟一号货运飞船，与天宫二号对接，开展推进剂补加等相关试验。载人航天工程高级顾问、中国科学院院士顾逸东介绍，天宫二号与天宫一号都属于空间实验室，基本规模差不多。天宫一号主要是作为目标飞行器和神舟飞船进行对接，在这个过程中，交会对接技术得以检验并成功应用。在天宫二号上，航天员将驻留更长的时间，同时开展很多科学实验工作，实验的数量和范围比在天宫一号上开展的多得多。

天宫二号是在天宫一号目标飞行器备份的基础上，根据天宫二号任务的需要改装研制而成的，也是一个长期在轨自动运行、短期载人的飞行器，是中国建造空间站之前进行技术验证的重要阶段。由于天宫一号消耗燃料较少，飞行寿命延长，成功地完成了中国航天三步走的第二步第一阶段，工程人员提高了天宫二号的质量，重约 13 吨。

空间实验室更像是空间站的前身，是为发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器。也就是说，发射空间实验室是为建造复杂程度更高的空间站所做的准备工作。空间实验室的发射，可以对空间站的关键技术进行试验，获取经验，降低风险，为建造空间站打下基础。

相对于天宫一号目标飞行器，天宫二号空间实验室上搭载了全新配套的空间应用系统载荷设备，配套设备数量和安装复杂度均创造了历次载人航天器的任务之最。

神舟十一号飞船将搭载两名男航天员，与天宫二号完成对接，并在太空驻留 30 天。此前中国航天员在轨驻留的最长时间纪录是神舟十号时创造的 15 天。

中国航天科技集团公司相关专家表示，如果想把这一纪录翻一番，携带的生活必需品要更多，载人飞船装载量要大大提高，同时也要为航天员创造更舒适、更人性化的环境。

换言之，天宫二号搭载的环境控制与生命保障系统将对航天员进行 30 天的保障，并接受长时间检验。这一技术得到验证之后，还将突破为航天员未来在空间站长期驻留的技术。

别看天宫二号和天宫一号“面子”长得差不多，但其实“里子”变化是很大的。天宫二号较大的改进是装备更豪华、装载量提高、内部环境更好。值得一提的是，天宫二号的系统设计是模块化的，出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。

其中一个新安装的设备是机械臂，将测试开展舱外搬运和维修。这种设备目前在国际空间站上已有使用，但在中国航天领域仍处于试验阶段。

要搭建巨大的空间站，机械臂操作技术将在这时候派上大用场。天舟货运飞船把不同的载荷运输上太空后，航天员和机械臂要互相配合将其装配到空间站上。正如中国载人航天工程总设计师周建平所说：“一名航天员在舱内操作机械臂，一名航天员在舱外太空行走。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身的移动，都可以通过机械臂完成。”只有演练好人机配合，中国空间站未来的建造和维修才成为可能。

空间机械臂是什么？空间机械臂设计专家说，通俗的解释就是一种典型的空间机器人。和大家熟悉的工业机械臂（机器人）一样，它能用于空间站在轨组装、在轨维修、货物搬运与转移、辅助航天员出舱活动等，是空间站建设和运营的关键装备。

为了研制这条臂展超过 10 米的“手臂”，工程师突破了 16 项关键技术，首次采用了自主爬行和双臂组合操作的模式，以实现大范围、大负载操作以及局部精细化操作。

所谓“自主爬行”，可以理解成机械臂一种有趣的“走路方式”，它可以头尾互换地爬到每一个角落。虽然太空没有重力，但要在速度快、惯性大的太空里拿起一件东西也不是那么简单的。而且万里之遥的机械臂全靠自己的判断来选择采取什么姿势、用多大力气，这个度很难拿捏。这些都需要在天宫二号上测试。

除了测试装备外，天宫二号还将在 2017 年上半年验证与天舟一号货运飞船的对接和资源补给技术，这也是世界范围内的难题。而且，因为后续要建造长期在轨飞行的永久性空间站，推进剂会不断消耗，天宫二号还必须要试验突破推进剂在轨补加技术。

天宫二号上有哪些太空实验

载人航天工程空间应用系统总设计师赵光恒介绍，天宫二号作为中国首个真正意义上的空间实验室，搭载的实验项目达到了史无前例的 14 项，其中 2 项由航天员直接参与操作，1 项为国际合作。直接承研单位 28 家，装载有效载荷 51件。能够拿到登上天宫二号的“入场券”，这些实验无疑都属于当今世界最前沿的探索领域。主要涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测、地球科学研究应用以及应用新技术试验 8 个领域。

具体包括：空间冷原子钟实验、液桥热毛细对流实验、综合材料制备实验、高等植物培养实验、伽马暴偏振探测等空间科学实验与探测项目；宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪、空地量子密钥分配试验、伴随卫星飞行试验等应用和新技术试验项目。是目前载人航天历次任务中开展应用项目最多的一次。

本文摘编自中国科学院空间应用工程与技术中心，新华社对外部中国特稿社编著《筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站》第3章，内容有删减。

筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站

中国科学院空间应用工程与技术中心，新华社对外部中国特稿社 编著

北京：科学出版社，2016.11

ISBN 978-7-03-050307-7

2016年9月，随着天宫二号的顺利升空，中国空间站建设的大幕正式拉开。《筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站》以通俗易懂的语言、精美生动的图片，记录了中国人从万户飞天以来的太空探索历程，描述了在中国首个太空实验室天宫二号上进行的诸多意义重大的科学实验，向广大读者立体呈现出了空间科学实验的无穷魅力。同时，全书描写刻画了多位中国空间研究与应用科学家代表，展现了我国科学家不断追求卓越、勇于创新实践的科学精神。

（本期编辑：安静）

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