據中國載人航天工程辦公室消息，神舟十八号瞄準 4 月 25 日 20 時 59 分發射，執行神舟十八号載人飛行任務的航天員乘組由葉光富、李聰、李廣蘇 3 名航天員組成，葉光富擔任指令長。乘組包括 1 名第二批航天員和 2 名第三批航天員，3 人均爲 "80 後 "。
這是神舟十八号航天員葉光富（中）、李聰（右）、李廣蘇。新華社發
作爲最新一批神舟載人飛船的第一艘，神舟十八号有多項技術升級，特别是全面升級了飛船的電源系統，提升了飛船的性能與安全性。那麽，随着我國載人航天工程的發展，神舟飛船的電源系統經曆了哪些升級改進？此外，在神舟十八号載人任務新聞發布會上，還提到航天員将首次在太空中養魚，除了養魚，航天員還會進行哪些科學實驗和研究呢？
這次我們邀請到了中國科學院國家空間科學中心周炳紅老師和中國科學院空間應用工程與技術中心張偉老師，來跟我們講講神舟十八号的那些事兒。
神舟十八号電池系統
做了這些升級改進
在神舟五号、六号、七号，三次載人飛行任務中，由于電力供應不足，航天員不得不吃冷飯。對于載人航天來說，電源系統就像人體的心髒和血液一樣重要，需要爲其源源不斷提供電能。
那麽，我國神舟飛船的電源系統包括哪些部分？分别是做什麽用的？載人航天的電源系統經曆了哪些重要改進，爲什麽要不斷改進？以下是中國科學院國家空間科學中心周炳紅老師采訪實錄。
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神舟飛船的電源系統構成
首先，神舟飛船的電源系統由主電源、應急電源、返回着陸電源和火工品電源四個部分組成。
應急電源、返回着陸電源這幾個電源顧名思義，比較容易理解。比如應急電源有重要的 " 救命 " 作用，萬一發生意外情況，應急電池就會啓用。應急電池使用的是高性能比銀鋅電池，其作用就像 UPS 不間斷電源。出現緊急情況時，飛船返回地面需要 4 個小時，而應急電池可以确保飛船的用電量。
主電源又分爲太陽電池翼、調節控制器、蓄電池三個部分。飛船繞地球飛行一圈大約 90 分鍾，會經曆光照區和地影區。在光照區，太陽電池翼将太陽能轉化爲電能，同時爲蓄電池充電儲存能量。在太陽無法照射的地影區，蓄電池負責爲整個飛船供電。
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電源系統的升級改進
随着我國載人航天工程的發展，電源系統經曆了哪些升級改進呢？
航天員每天的生活用電要依靠電源系統，飛船的用電功率大約 2 千瓦，相當于一個普通家用空調或者是一個功率高點的微波爐的耗電量，這樣神舟飛船一天耗電 40 多度。
在載人航天工程一期時，由于供電能力有限，航天員吃的都是冷飯。載人航天工程二期使用的電源系統中，太陽能電池帆闆的材料采用了砷化镓，代替了一期使用的多晶矽，發電能力提高了一倍，可以确保航天員頓頓吃上熱飯。
神舟十八号之前的飛船使用的一直是镉鎳蓄電池，工作電壓 28 伏。載人航天發展過程中，還研制了另外兩種蓄電池，分别是用于天宮實驗室的 100 伏高壓氫鎳蓄電池，和用于天舟貨運飛船的锂離子蓄電池，這次神舟十八号也升級到了锂離子蓄電池。
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升級爲锂離子蓄電池
爲什麽要升級爲锂離子電池呢？
這是由于空間站時代飛船的使用環境和使用時間長度變化決定的。空間站時代後，在軌駐留時間通常是 6 個月。
這樣一來就面臨兩個很嚴峻的問題：一是空間站艙體的遮擋問題，艙體連接長度數十米，還有巨大的柔性太陽翼，對神舟載人飛船的太陽翼形成了比較嚴重的光照遮擋，導緻自主發電能力不足。還有一個是神舟飛船停靠期間需要接受空間站的電力供應，由此産生充放電狀态不斷切換的不穩定情況，造成充放電不規律問題。
從神舟一号到神舟十七号，飛船配置的都是 " 镉鎳蓄電池 "，這種電池具有高安全、高可靠、耐過充、耐過放等優勢性能，可以滿足神舟飛船高安全運行的任務要求。但是它也有缺點，就是 " 記憶效應 "。" 記憶效應 " 就是蓄電池在長期小負載情況下不斷充放電時産生的，一旦耗電量又增加、回到滿負荷狀态，就可能會出現蓄電池供電能力不足的問題。
鑒于長壽命大容量锂離子電池的安全性，在天舟貨運飛船中得到廣泛驗證。爲了讓神舟飛船具備更加強大的能力，從神舟十八号開始，就換成了锂離子電池。
锂離子電池相較于镉鎳蓄電池的一個突出優勢就是沒有記憶效應，使用壽命長。這就使得神舟飛船克服了不規律充放電問題，獲得了更長的停靠空間站組合體的時間，同時也更加安全可靠。
航天員在太空中
将會進行這些實驗
自 1999 年神舟一号飛船發射至今，我國載人航天工程進行了各項技術驗證試驗，開展了大量空間科學實驗，涵蓋空間環境、空間生命科學、空間材料、空間天文和物理等多個領域。
本次神舟十八号将會在太空中進行哪些實驗呢？張偉介紹到主要有 4 個實驗：水生生态實驗、有機分子起源實驗、植物幹細胞實驗、潤滑材料實驗，以下是張偉關于神舟十八号将要進行的實驗介紹。
水生生态實驗
首先是斑馬魚和金魚藻的水生生态實驗，這次将是我們首次把斑馬魚帶到太空當中。在太空中養魚和在地面最明顯的不同之處在于，地面上水和氣是分離的，魚缸不用裝滿水，而在太空中水和氣難以分離，所以魚缸應該是滿的。這次實驗主要研究在太空環境下，斑馬魚和金魚藻的一個共生共存關系。
金魚藻會通過光合作用産生氧氣，供斑馬魚呼吸，而斑馬魚呼吸所産生的二氧化碳又會提供給金魚藻來進行光合作用。通過這麽一個小型的水生生态系統，能夠實現在太空中對水生生态模型的一個驗證。
這一次開展小型水生生态系統研究後，未來還要開展陸地生态系統的研究，将小鼠帶上太空。在解決小鼠的臭氣排放問題之後，用它來做實驗，探索人類在太空長期生存和适應的問題。
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有機分子起源的實驗
第二個實驗就是生命起源的分子機制。中國科學家趙一峰院士提出了蛋白和核酸共起源的一個機制，通過核苷酸氨基酸和磷進行反應來驗證無機分子如何生長爲有機分子，這樣一個分子機制的驗證。
植物幹細胞實驗
第三個實驗，植物幹細胞。我們要看在微重力條件下，植物幹細胞如何發揮作用，微重力如何影響植物幹細胞的調控，從而來影響它的生長和發育。
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潤滑材料實驗
第四個實驗是潤滑實驗，之前已經做過一些潤滑實驗，我們在艙外有一個暴露裝置，專門做材料在空間條件下的一些暴露特性。
潤滑材料應該是非常簡單的一個東西，但實際上在太空中不一樣。在太空中高溫在零上 100 多度，低溫是零下 100 多度，在這 300 度的溫差下面，同時還有輻射的作用。
我們潤滑材料壽命非常短，而且很多時候在高溫情況下它可能揮發了。在低溫的時候它可能冷凍了。所以說我們在太空要驗證這些固液混合的材料，在太空條件下能不能壽命更長，更好地發揮作用。
當然，以前的實驗仍然在繼續。
我們神舟十八号乘組進入太空以後，不隻做這次神舟十八号帶上去的實驗，還要做大量之前帶上去的一些實驗。比如說在生命科學方面，我們還要做人骨幹細胞的定向分化，研究微重力條件下，骨幹細胞如何分化，如何能夠對它進行調控，讓它更好地生長。
在材料領域，我們還要進行大量材料的制備。比如說鐵基超導的材料，還有鋁基的材料，甚至納米材料和一些特殊的材料，要把它在太空當中，用我們的無溶劑實驗櫃，還有我們的高溫材料實驗裝置把它們制備出來。同時還要在軌測試它的性能，比如說用無容器的來測它的熱物理性質、表面張力、粘度和密度等等。
非常有意思的是我們的燃燒實驗。我們這次帶上的是氣體插件的燃燒實驗，将要開展氣體小火苗點火火焰的傳播和熄火的特性（實驗），還要揭示它一些本質的規律。
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因爲在地面上，我們知道燃燒是一種浮力對流驅動的燃燒，它是一種淚滴狀的火焰，溫度也比較高。但是在太空當中，由于浮力對流消失了，燃燒是一種擴散驅動，所以說它是一種球形的火焰，而且火焰的溫度低。所以我們在太空當中通過研究這些特性，來揭示它的本質規律，從而來指導我們地面開發更清潔的燃料，提高燃燒效率。
我們還有一些實驗是流體實驗，比如說在太空微重力條件下，由于浮力對流消失了，我們要做一些流體的研究。比如蒸發與沸騰，我們在地面是浮力對流驅動的，它有一些沸騰現象在太空當中，這沸騰現象就變了。
比如說我們開水小氣泡很多，然後慢慢有一個浮力對流，整個水開了，在太空當中小氣泡會越來越大，直到破掉。但是在頂面的水是很難開的，所以說我們在太空研究蒸發與冷凝，沸騰與傳熱這些基礎的現象。
同時我們可能還要研究比如推進劑的管理，在太空當中推進劑是非常特殊的一種形态，所以說我們需要在太空結合着這些特殊的對流現象，對整個流體的管理和流體的輸運進行深入的研究。
相信未來我們一定能看到越來越多太空實驗帶來的成果！
策劃制作
本文爲科普中國 - 星空計劃作品
責編丨王夢如
審校丨徐來 林林
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