走进大国重器丨在地面破解太空难题——探访我国首个“空间环境地面模拟装置”

科技日报记者 朱虹

从黑龙江省哈尔滨市南岗区出发，向北行驶，越过松花江，约半小时车程，记者来到位于哈尔滨新区的科技创新城。

冬日的雪花飘落在广袤的园区，为这片科技热土增添了一抹宁静的美。在足有50个足球场大小的地方，4栋洁白如雪的建筑巍然矗立。楼宇上，“SESRI”蓝色标志熠熠生辉。

这里，就是我国航天领域首个国家重大科技基础设施——“空间环境地面模拟装置”所在地。该装置由哈尔滨工业大学和中国航天科技集团联合建设，能够模拟包括低温、真空、电磁辐射在内的九大类空间环境因素，为科研人员提供近乎真实的太空实验环境。

“这座‘地面空间站’从2005年开始论证，到2023年正式投入使用，历经18年。”哈工大空间环境与物质科学研究院院长李立毅告诉记者，“它的建成不仅为我国航天事业的发展提供了强大支撑，还为科研人员探索太空奥秘搭建了新的平台。”

模拟太阳系

进入“地面空间站”的心脏地带——空间综合环境实验楼，月尘舱、火星尘舱、太阳模拟器等大型实验装置映入眼帘，这里仿佛是一个微缩版的太阳系。

记者来到月尘舱前。这座5.5米高的庞然大物模拟的是月球上的尘埃世界。“月尘看似不起眼，在太空中却是个‘大麻烦’。”李立毅介绍道，“这种微小颗粒本就形状尖锐，受到太阳和宇宙射线的照射，会带上电荷，变得更加锋利。带电月尘可能会划破航天服，危及航天员生命健康。”

为破解这一太空难题，科研团队进行了无数次的尝试。他们利用电子枪和X紫外灯，让月尘带上正负电荷，再模拟真空和低温环境，形成一个综合多因素的月尘实验环境。李立毅告诉记者：“在这里，我们可以测试不同材质的航天服，看看哪种材质能够抵御带电月尘的侵袭；我们还可以研究月球车太阳能帆板的构造，找到避免被月尘覆盖的最佳方案。”

说话间，记者来到了一个更加令人震撼的实验装置前——高达17米的太阳模拟器。它能够真实模拟太阳照射，综合模拟真空、高低温、粒子辐照、电磁辐射等多种宇宙环境。科研人员可以根据实验要求，调节太阳模拟器的热量和照射角度等参数，实现最精准的模拟。

谈起过去的实验条件，李立毅深有感触地说：“以前，科研人员进行材料器件等实验时，要辗转多个实验舱，才能完成一个完整的实验过程。这样不仅效率低下，而且物理过程和物理反应之间还存在差异。现在有了这个综合实验舱，我们可以在一个舱内一次完成所有实验，大大提高了实验的效率和准确性。”

打造零磁场

在“地面空间站”里，有一座高约15米、形似“套娃”的建筑，这是空间磁环境科学装置。

哈工大空间环境与物质科学研究院磁环境与磁信息研究室副研究员金银锡介绍，地球磁场无处不在，地球环境的任意空间都承载着约5万纳特斯拉的磁力线。相较之下，外太空的磁场极其微弱，仅为地球磁场的近百万分之一。因此，为了模拟太空环境，需要打造一个零磁场，即几乎没有任何磁场干扰的环境。

实现零磁环境，其难度超乎想象。科研人员需要在庞大而复杂的地球磁中，创造一个“磁屏蔽泡泡”，如同在汹涌澎湃的大海中建造一座完全不受海浪影响的小岛。

为了完成这一目标，科研团队首先面临材料选择的难题。传统的磁屏蔽材料往往自带磁性，会严重干扰零磁空间的实现。经过反复试验和验证，团队终于找到一种能够有效屏蔽外界磁场干扰的复合新材料。

然而，材料的选择只是开始，将这些材料有效地组合成一个完整的磁屏蔽系统，才是更大的挑战。团队最终通过七层电磁屏蔽材料层层包裹，像“套娃”一样将外界磁场干扰隔绝。这一设计不仅增强了磁屏蔽效果，还确保了零磁空间内部的稳定性和可靠性。

“现在，静态磁场已被抑制到了0.033纳特以下，实现了接近零磁的空间环境。”金银锡说。

在零磁空间中，科研人员可以深入研究低磁环境下材料、器件以及航天器的变化规律，探索长期停留在空间站磁场对人体健康的影响。同时，他们还能捕捉到很多在地磁环境下无法测量的微弱磁场信号，包括脑磁和心磁信号，这为脑科学、生物电磁信息等领域的研究提供了新的可能。

密封真空罐

在“地面空间站”一隅，三层楼高的空间等离子体科学实验楼内，装着一个直径5米、长10.5米的实验装置。哈尔滨工业大学空间等离子体物理研究室副研究员毛傲华介绍，科研人员将地球大气层以外的磁层环境，原汁原味“搬”进了这里，相当于把地球磁层“封装”进了地面真空罐。

在宇宙中，超过99.9%的物质以等离子态存在，无论是炽热的太阳、绚烂的星云，还是神秘的极光，都是它的杰作。当太阳风如狂暴的海啸般冲向地球时，地球磁层的响应会引起磁暴、亚暴等极端空间天气现象，对航天器运行造成严重威胁。

毛傲华介绍，借助这一前沿装置，科研人员能够在地面上模拟磁层关键物理过程。研究结果为构建空间天气预报模型提供了坚实基础，同时也为航天器的安全防护策略提供了新的视角。

此外，该装置还能针对航天器重返大气层时的表面等离子体鞘套复杂电磁环境进行精准模拟。当航天器穿越大气层时，动态等离子体鞘套现象随之产生，形成一道电磁波难以穿透的“黑障”，使得航天器与地面的通信中断。如今，借助该装置，研究人员能够更深入地探索这一现象，为破解“黑障”难题提供更多线索。

“地面空间站”投入试运行以来，像一块磁石，吸引了国内外众多科研机构和企业的关注，为人类探索太空事业注入了新的活力。

党的二十届三中全会强调，深化科技体制改革，提升国家创新体系整体效能，形成具有全球竞争力的开放创新生态。展望未来，李立毅向记者表示：“我们将以全会精神为指引，加强原创性、引领性科技攻关，为全球科学家提供更好的科研环境和条件，为人类探索宇宙奥秘贡献更多的中国智慧与中国力量！”