把空间站“搬”来地球

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<article><section data-type="rtext"><img data-alt="图①：系统级综合辐照试验舱。　　图②：空间环境地面模拟装置园区。　　图③：300兆电子伏特质子重离子加速器。　　以上图片均为哈尔滨工业大学提供" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/018455274e9e301b510e25d435a08009.png?imageView2/2/w/1260" />地球上也能建空间站吗？“地面空间站”和真实的宇宙空间有哪些区别？位于黑龙江哈尔滨新区的空间环境地面模拟装置，为这些疑问提供了科学答案。从支撑载人航天、深空探测等国家重大战略任务，到服务医疗健康、农业育种、新材料、新能源等前沿领域研究，“地面空间站”应用广泛、前景广阔。让我们一同走进这座大国重器，于一方天地，探宇宙奥秘。——编 者在黑龙江哈尔滨新区的科技创新城，有一片“洁白”分量颇重。这处占地近50个足球场的白色建筑群，是我国航天领域国家重大科技基础设施——空间环境地面模拟装置，它还有一个别称：“地面空间站”。
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 该装置由哈尔滨工业大学与中国航天科技集团联合建设，历时近20年攻关，2024年通过国家验收。它能将真空、辐照、弱磁、等离子体等九大类宇宙极端环境“搬”来地球，为国家多项重大航天任务工程提供不可或缺的地面验证。装 置尽可能模拟真实宇宙空间“国际上通用的地面模拟装置大都基于单一因素，然而外太空的真实环境往往是各种因素的耦合。”走进装置内部，哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院院长李立毅介绍，“‘地面空间站’的建设目的，就是尽可能模拟宇宙空间的真实环境。”装置建设的关键突破，在于实现“多因素耦合”这一科学设想。它不再是多个单一环境实验室的简单集合，而是能在同一物理空间内，复现辐射与超低温、多种辐射之间等复杂耦合的真实宇宙空间。往里走，有一座高约15米、形似“套娃”的建筑，这就是空间磁环境科学装置。地球磁场无处不在，而外太空的磁场强度仅为地球的约百万分之一。为了模拟这种极端环境，科研团队用7层特种电磁屏蔽材料层层包裹，建造了一个“磁屏蔽泡泡”。这里的静态磁场被稳定抑制在极低水平，实现了接近绝对零磁的空间环境。除空间磁环境科学装置之外，综合环境模拟分系统、离子加速器分系统都是其中的重要组成部分。综合环境模拟分系统设置有系统级综合辐照试验舱、月尘舱、火星尘舱、高速粉尘舱等巨型金属装置，可模拟真空、高低温、带电粒子辐射、电磁辐照、空间中性气体、固体颗粒物等六大类太阳系典型空间综合或极端环境与效应。离子加速器分系统可提供宽能量范围的电子、质子和重离子束流，该分系统建设有多条实验束线，可开展辐射场模拟、元素分析、辐照育种、器件辐照效应、细胞辐照效应、核物理、核探测器校准等研究。微观机理分析、空间生命科学、数值仿真与中央监控……“地面空间站”能够开展不同类别的科学研究：能模拟速度为70公里/秒的太空粉尘撞击，为航天器打造“铠甲”；能在巨大的真空舱内，克服每平方米近10吨的大气压力差，将关键设备的位置精度控制在毫米级以内；还能构建带电月尘环境，测试登月服材料的性能。从论证到验收，团队突破了多源辐照等效模拟、粉尘极端环境模拟等15项关键技术，让装置成为多学科交叉创新的平台，已推动2000余款航天元器件研制，支撑10余个重大航天型号的考核鉴定工作。应 用服务重大战略任务与前沿探索装置的价值在于应用。自投入运行以来，“地面空间站”凭借强大的模拟能力，吸引了众多国内外科学家，服务科技前沿探索。“以前，我们只能通过几十厘米的小装置进行验证，而这里的装置尺寸大几十倍，我们能研究更复杂的物理过程。”2025年3月，中国科学技术大学陆全明教授团队与哈尔滨工业大学合作，首次在实验室实现了地球磁层顶位形磁场重联过程的地面模拟和确认。“在可控实验室里能‘再造’太空中的能量爆发节点，让我们观察到前所未有的细节。这些是传统的小型实验装置、单一的卫星观测难以完整揭示的新现象。”陆全明说。华中科技大学王顺教授团队利用“地面空间站”零磁环境，对“天琴计划”关键部件进行了高精度磁性测量，实现了对极弱磁信号的直接观测，使得我国在极弱磁测量技术上取得重要进展。“‘地面空间站’显著降低了载荷研制风险与成本，缩短了验证周期，支撑了航天技术快速迭代。”谈及装置带来的变化，王顺认为这类大科学装置不仅提供了自主可控的地面验证平台，更使我国在前沿研究中抢占先机，加速技术向工程的跨越。近年来，随着商业航天产业的迅速发展，装置也变得更加繁忙。“2023年，商业航天试验任务只占总任务的36%；2025年下半年，这一比例已经提高到了67%。”李立毅介绍，通过提高加速器的束流能量，并减少抽真空和转接线的环节，装置的试验速度提升到每小时6个器件，支撑我国多个星座大部分卫星电子系统的地面考核与验证，推动我国低轨星座的快速布局。“地面空间站”不仅面向国内，也积极对接国际同行，实现联合攻关、数据互通、人才联合培养等深度合作。例如，通过亚太空间合作组织正式发布“全球开放计划”，“地面空间站”已与8个国家、15家科研机构在多个重点领域推进高水平科研协同，用技术交流搭建跨国合作桥梁。自验收以来，围绕载人航天、商业航天、深空探测、医疗健康、农业育种、新材料、新能源等重大战略任务与前沿科学探索，“地面空间站”累计服务中国航天科技集团等200余家用户单位、400余个用户团队，对外服务超6万小时。升 级成为人类探秘宇宙的前哨这座“地面空间站”，一直眺望着浩瀚的星辰大海。“接下来，‘地面空间站’建设将向更精、更广、更深推进。”李立毅说。在技术性能的精进化升级方面，“地面空间站”立足国家重大科技需求和战略考量，聚焦航天、芯片、新材料等领域的需求，持续突破更高精度的环境模拟技术。例如，优化质子微束的能量控制精度，提升设备运行的稳定性和试验数据的准确性，为解决“卡脖子”技术问题提供支撑。在服务领域的广度化拓展方面，“地面空间站”针对月球、火星等深空环境的模拟需求，开发专属试验模块；结合医疗领域的辐照治疗研究，拓展生物辐照模拟功能。装置将重点向深空探测、量子科技、新能源等战略性新兴产业和未来产业延伸，持续扩大服务半径。在合作层次的深度化推进方面，“地面空间站”在深空探测相关的材料抗辐照、航天器可靠性验证等领域，能持续为各国科研团队提供独有的试验条件。“我们将借助该装置，加速推进‘全球开放计划’实施，共同发起国际大科学计划，联合全球相关领域的顶尖大学和科研机构、顶尖科学家，开展前沿探索。”李立毅说。未来，这座连接大地与星空的桥梁，将继续为载人登月、火星采样、太阳系边际探测等提供坚实的地面支撑。这座“地面空间站”，不仅是中国的大国重器，也是人类探秘宇宙的前哨。</section></article>

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