這套實(shí)驗(yàn)裝置由“材料實(shí)驗(yàn)爐”（簡稱“爐子”）、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個(gè)單機(jī)構(gòu)成。整個(gè)裝置共約27.6kg重，最大功耗不到200W（而一般電水壺的功率也要1000～1800W），相當(dāng)于2個(gè)100W白熾燈，卻能實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境下最高950℃的爐膛溫度，是不是令人驚嘆？

這可是研制人員花費(fèi)了極大心血才得來的“高效”??！

而且這套多功能的通用型材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置在本次空間實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)備了共計(jì)18個(gè)樣品材料，其中包括12個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品、6個(gè)熱物性測量樣品，真可謂能者多勞，一爐多用！

把爐體拆開來看，里邊有2個(gè)部分——加熱爐單元和樣品管理單元。

整個(gè)結(jié)構(gòu)非常類似于左輪手槍，加熱爐單元具有一個(gè)直徑18毫米的爐膛，像是左輪手槍的“槍管”，這個(gè)槍管中最高可加熱到950℃的高溫，空間材料的制備和處理就是在這個(gè)高溫“槍管”中完成的。

通過控制“槍管”中的溫度，可實(shí)現(xiàn)材料的熔化和凝固，從而在空間微重力條件下制備出地面難以合成的高質(zhì)量材料。

樣品管理單元的核心是存儲樣品的“樣品管理倉”。

樣品管理倉類似于左輪手槍的“彈夾”，它一次能夠裝6顆“子彈”，即能夠完成六種材料樣品的高溫制備和處理。

當(dāng)其中某個(gè)樣品需要進(jìn)行生長時(shí)，就將該樣品的料艙對準(zhǔn)“槍管”并慢慢將“子彈”推進(jìn)“槍管”中，然后槍管加熱到高溫，按預(yù)定工藝實(shí)現(xiàn)這個(gè)工位所裝樣品的生長。

這套裝置的提拉速度，也就是“子彈”在“槍管”中的運(yùn)動速度，可以控制在每小時(shí)0.5毫米到100毫米，最大的移動距離是178毫米。

以這種形式完成一個(gè)樣品的高溫實(shí)驗(yàn)后，可以把該樣品退回到它所在的“彈夾”中，然后如左輪手槍那樣，轉(zhuǎn)動彈夾使得第二個(gè)樣品料艙到位并將樣品送進(jìn)“槍管”中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣可依次完成6個(gè)料艙中的樣品實(shí)驗(yàn)。

上述的“彈夾”轉(zhuǎn)位、樣品輸送、“槍管”加熱等一系列動作，均由“材料電控箱”發(fā)號施令完成。

“材料電控箱”是這套裝置的“大腦”，由許多的元器件及集成電路構(gòu)成，而這些構(gòu)件又可以看作是“腦細(xì)胞”，也分別具有不同的功能。

“材料電控箱”不但控制著材料實(shí)驗(yàn)爐的所有功能和動作，還負(fù)責(zé)與外界的信息傳輸和交流，實(shí)驗(yàn)裝置的供電、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)向地面的傳輸均是通過這個(gè)“大腦”與平臺的聯(lián)系來完成的。

講到這里，實(shí)驗(yàn)裝置是什么樣的，它是怎么工作的，想必大家都清楚了。那可能有細(xì)心的讀者會提出疑問，“材料樣品工具袋”是干什么的呢？另外，為什么“彈夾”中“子彈”的個(gè)數(shù)（6個(gè)）要比我們介紹的實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量（18種）少呢？

“材料樣品工具袋”，顧名思義，就是用來裝材料樣品的，內(nèi)裝有12只安瓿（安瓿是一種密封的樣品管），內(nèi)含需要制備或測試的材料。而由于空間資源的限制，“彈夾”不能想做多大做多大。那么怎么辦呢？這就需要我們的航天員出場了。

“天宮二號”在軌飛行實(shí)驗(yàn)期間，駐守的航天員將對材料實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行開蓋換樣操作，這將是我國首次實(shí)現(xiàn)空間材料實(shí)驗(yàn)的航天員在軌操作。

具體怎么做的呢？

原來18個(gè)樣品是分三批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，每批次進(jìn)行6個(gè)。

第一批次6個(gè)樣品隨爐子一起發(fā)射升空后直接開展實(shí)驗(yàn)，之后由航天員進(jìn)行爐子開蓋換樣品操作，將實(shí)驗(yàn)后的樣品取出放入樣品工具袋，接著將第二批次的樣品放入材料實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)，等第二批實(shí)驗(yàn)完成后，再由航天員換上第三批次的樣品，并將前兩批完成的實(shí)驗(yàn)樣品裝入材料樣品工具袋，帶回地面，供科學(xué)家研究。

那么航天員在軌具體是怎么操作的呢？

航天員操作“爐子”

“爐子”操作演示

“有了金剛鉆，才能攬下瓷器活”。

這次上天的18個(gè)材料樣品，每個(gè)材料對實(shí)驗(yàn)裝置的要求都各不相同，針對眾多材料樣品提出的關(guān)于溫場模式、合成工藝控制等方面的新需求，綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置引入了多項(xiàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。

在保溫設(shè)計(jì)上，采用中科院上海硅酸鹽所專利技術(shù)，利用自行研發(fā)的高密度螺旋盤式內(nèi)繞法對樣品直接加熱，既提高了能源利用效率，也方便了加熱爐的溫場設(shè)計(jì)。

為了使?fàn)t子通電產(chǎn)生的熱量牢牢地束縛在爐膛內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)爐采用了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)、高效輻射隔熱屏以及上海硅酸鹽所自行研制的特種無機(jī)涂層材料等技術(shù)手段，從而在加熱單元只有不足一尺長的空間限制條件下，可實(shí)現(xiàn)將爐膛加熱到近一千攝氏度的高溫。

該溫度足以將玻璃或銀條熔化掉，而功耗卻僅相當(dāng)于兩個(gè)100W瓦的白熾燈的功耗。同時(shí)，爐子外壁的溫度僅幾十?dāng)z氏度，接近于人體溫度。

本次的“爐子”整體功能和性能較我國前期的“爐子”有了較大的提高，主要體現(xiàn)在：

（1）采用多個(gè)加熱器組合的方式，涵蓋了不同類型的溫場工作模式，還提高了可靠性；

（2）設(shè)計(jì)壽命比之前的提高了一個(gè)數(shù)量級；

（3）一次實(shí)驗(yàn)的樣品數(shù)量達(dá)到18支，比過去的翻了3翻，可以滿足更多種類材料樣品的空間制備實(shí)驗(yàn)需求。

此外，本次加熱爐單元本身設(shè)置了多達(dá)18個(gè)溫度傳感器，這些傳感器遍布在爐體的上、下、內(nèi)、外，可以全方位地對爐子各點(diǎn)的溫度進(jìn)行有效監(jiān)控，該項(xiàng)功能是目前國內(nèi)外其他空間高溫材料實(shí)驗(yàn)裝置所不具有的，為空間高溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備溫場及空間高溫傳熱特性的深入研究開辟了先河。