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  今天，我们迎来了第十个中国航天日。从 1970 年 4 月 24 日我国成功发射第一颗人造地球卫星 “东方红” 1 号，到如今中国空间站全面开启建设、“天问一号” 实现行星际探测跨越，我国航天事业取得了举世瞩目的辉煌成就。在这场星辰大海的征途中，除了航天人的不懈努力，还有众多科学仪器在默默发挥着关键作用，无数科学仪器与检测设备默默支撑着每一次发射、每一刻驻留、每一项实验，它们堪称助力航空航天的幕后英雄。值此航天日之际，仪器信息别盘点梳理航空航天领域应用到的科学仪器，参考仪器信息网的仪器分类体系，通过案例与数据，揭秘这些“幕后英雄”的科技力量。

  航空航天材料需具备高强度、低密度、耐高温、耐辐射等特性。材料分析仪器可对材料微观结构、成分及性能进行精确分析，为材料研发、质量控制提供支撑。

  光谱仪是常用的材料成分分析仪器，能对金属、陶瓷、复合材料等航空航天材料的元素组成进行定性和定量分析。比如，电感耦合等离子体发射光谱仪ICP- OES）可检测材料中多种微量元素，检测限达 ppm 甚至 ppb 级，助力确保材料成分符合严格标准，避免因成分偏差影响材料性能。

  电子显微镜则用于材料微观结构观察。扫描电子显微镜（SEM）分辨率可达纳米级，能清晰呈现材料表面形貌、组织架构及缺陷，帮助科研人员进一步探索材料性能与微观结构的关系，优化材料制备工艺。透射电子显微镜（TEM）可观察材料内部原子排列、晶体结构等，为新型材料研发提供关键微观信息。

  材料热分析仪器在航空航天领域也不可或缺。热重分析仪（TGA）可通过测量材料在升温或恒温过程中的质量变化，分析材料热稳定性、分解温度及热分解产物等，确保材料在航天器高温环境下稳定性很高。差示扫描量热仪（DSC）能测量材料在加热或冷却过程中的热流变化，获取材料熔点、玻璃化转变温度等参数，为材料加工工艺制定提供依据。

  通过分析材料对 X 射线的衍射图案，可精确测定晶体结构、晶格参数及相组成。在航空航天高温合金研发中，XRD 可检测合金中析出相的类型与含量，帮助优化热处理工艺，提升材料高温强度。例如，用于火箭发动机涡轮叶片的镍基高温合金，需通过 XRD 分析其析出相 γ 相的尺寸与分布，确保叶片在极端工况下的稳定性。

  用于测量材料的拉伸强度、屈服强度、延伸率等力学性能指标。在航天器结构材料（如铝合金、钛合金）选型阶段，拉力试验机可模拟材料在发射载荷及太空环境下的受力状态，验证材料是不是满足强度要求。例如，空间站舱体结构用铝合金需通过拉力试验，确保其在微陨石撞击等突发载荷下不发生断裂。

  利用超声波检测材料内部缺陷（如裂纹、气孔、夹杂等）。在火箭发动机壳体复合材料检测中，超声波探伤仪可通过一系列分析反射回波信号，快速定位复合材料层间脱粘等隐蔽缺陷，保障发动机结构完整性。该技术已大范围的应用于长征系列火箭核心部件的无损检测。

  2020年12月17日，我国嫦娥五号探测器携带1731克月球“土特产”成功返回地球，这是人类44年后再次采集月壤，也使中国成为继美国、前苏联之后，第三个成功采集月球土壤的国家。嫦娥五号成功返回后，应中国科学院国家天文台月壤样品高精准、多元素和非破坏分析要求，原子能院核物理所活化分析团队依托泳池堆、微堆，对嫦娥五号月球土壤样品进行中子活化分析研究，准确测定了月壤样品中40多种元素的含量。中子活化分析是利用中子轰击待分析的样品，通过核反应使其中多种元素（每种元素的至少一种同位素）生成放射性核素，经过测量这些核素发射特征射线的能量和强度，对相应元素进行定性、定量分析，以其高灵敏度、高准确度、非破坏性和多元素同时分析等优点大范围的应用于宇宙科学等领域。

  原子能院核物理研究所在《美国化学会志》上发表关于嫦娥五号月壤中子活化分析研究的文章截图

  在月壤分析表征中，材料分析仪器同样发挥着无法替代的作用。嫦娥五号带回的珍贵月壤样本，科研人员借助扫描电镜能直观观察月壤颗粒的微观形貌，发现其独特的棱角状、多孔结构等特征，为研究月球表面演化过程提供线索。同时，X 射线荧光光谱仪对月壤成分进行定量分析，精准测定硅、铝、铁等元素含量，助力探索月球资源分布情况。

  太空环境复杂，有高真空、强辐射、极低温、微重力等极端条件。环境模拟仪器可在地面模拟这些环境，用于航天器及部件的性能测试与可靠性验证。

  真空模拟设备用于模拟太空高真空环境。大型真空罐能将内部气压降至 10 - 6Pa 甚至更低，航天器及其部件在罐内进行真空环境下的热控、电子学、结构等性能测试，确保其在太空高真空环境下正常工作。例如，卫星热控系统需在真空模拟环境中测试散热性能，保证卫星在轨温度稳定。

  空间辐射环境模拟装置可模拟太空高能粒子辐射，如质子、电子、重离子等辐射。通过对航天器电子元器件、材料来辐射试验，评估其辐射耐受性，优化设计以提高航天器抗辐射能力，保障航天器在太空辐射环境下的可靠性和寿命。

  高低温试验箱用于模拟太空极低温和高温环境。航天器需经历从极低温的阴影区到高温的向阳面的气温变化，高低温试验箱可在 - 196℃至 + 200℃甚至更宽温度范围内精确控温，对航天器及部件进行高低温循环试验，检验其在极端温度条件下的性能和可靠性。

  微重力模拟设备为航天器和有关技术研究提供微重力环境。落塔、抛物线飞行等微重力模拟方式可实现数秒至数十秒的微重力时间，用于开展空间材料科学、流体物理、燃烧科学等实验研究，为未来太空探索和空间应用提供技术支持。

  可模拟太阳电磁辐射光谱（200nm - 2500nm）及辐照强度（最高达 1500W/m²），用于测试航天器热控涂层、太阳能电池板的光学性能与耐老化性。例如，空间站太阳能电池翼需在太阳辐射模拟装置中进行长期辐照试验，评估其光电转换效率衰减情况，确保在轨使用寿命。

  通过气炮或激光驱动微小颗粒（直径微米至毫米级），模拟太空碎片撞击速度（3 - 15km/s），测试航天器防护材料的抗撞击性能。国际空间站采用的 “Whipple 防护盾” 即通过该设备优化设计，可有效抵御厘米级碎片撞击。我国嫦娥探测器的热控系统防护层也经过类似试验验证。[添加空间碎片撞击模拟设备工作的示意图]

  用于模拟太空舱内或特殊环境下的湿度变化（10% RH - 98% RH），测试电子设备、复合材料的吸湿性与耐潮性。载人航天器环控生保系统中的冷凝水管理组件，需在湿度试验箱中验证其在高湿环境下的工作可靠性，避免冷凝水导致设备短路或霉菌滋生。

  天和核心舱作为我国空间站的关键组成部分，在地面研制阶段经过了大量环境模拟试验。为模拟太空高真空、强辐射、极端温度交变等复杂环境，天和核心舱在大型真空热试验设备中进行了多次热平衡、热真空试验。该设备可将内部气压降至 10 - 6Pa 以下，模拟太空高真空环境，同时通过红外加热笼模拟太阳辐射，精确控制气温变化，检验核心舱热控系统性能，确保其在轨运行时舱内温度适宜，电子设备稳定工作。

  测控通信系统是航天器与地面之间的桥梁，测控通信仪器用于航天器轨道测量、遥测遥控及通信。

  卫星导航定位设备为航天器提供精确位置和时间信息。全球卫星导航系统（如北斗、GPS 等）的接收机可接收卫星信号，精确测量航天器的位置、速度和时间，用于航天器轨道确定和导航控制，确保航天器按预定轨道飞行。

  遥测遥控设备实现对航天器状态监测和控制指令传输。遥测系统将航天器各系统的工作参数（如温度、压力、电压、姿态等）采集并编码，通过无线通信链路传输至地面测控站。地面测控站根据遥测数据评估航天器状态，通过遥控系统向航天器发送控制指令，实现对航天器姿态调整、轨道修正、设备开关机等操作。

  通信天线及射频设备负责航天器与地面之间的通信。高增益定向天线可提高通信信号强度和方向性，确保远距离通信质量。射频收发器用于调制和解调通信信号，实现数据、语音和图像等信息的传输。随着航天技术发展，Ka 频段、激光通信等新型通信技术及相关仪器设施也在不断应用，以满足高速率、大容量通信需求。

  作为航天器精密授时核心设备，氢原子钟、铷原子钟的稳定度可达 10⁻¹⁴量级，为深空探测航天器（如 “天问一号” 火星探测器）提供纳秒级时间基准，确保激光测距、多普勒测速等精密轨道测量数据的准确性。我国自主研发的星载铷原子钟已应用于北斗导航卫星，助力全球定位精度达米级。[插入一张星载铷原子钟的实物图]

  通过电子扫描方式实现多目标跟踪与成像，在航天器交会对接中用于实时测量相对位置与速度。神舟飞船与天和核心舱的自主快速交会对接，即依赖相控阵雷达的高精度测距测角能力，实现从百米级到毫米级的逼近控制，确保对接过程安全可靠。[配上神舟飞船与天和核心舱交会对接时相控阵雷达工作的模拟图]

  利用量子纠缠效应实现加密通信，可抵御传统电磁干扰与窃听。我国 “墨子号” 量子科学实验卫星搭载的量子密钥分发设备，已实现星地间量子密钥的安全传输，为未来航天测控通信的量子化升级奠定基础，提升航天器通信的抗干扰与反窃密能力。

  惯性导航仪器用于测量航天器加速度和角速度，确定其姿态和航向。陀螺仪和加速度计是惯性导航系统的核心部件，通过检验测试航天器运动状态变化，为航天器姿态控制和轨道导航提供重要信息。

  振动测试仪器用于航天器在发射、飞行过程中的振动环境模拟和测试。振动台可模拟火箭发射时的复杂振动激励，对航天器及部件进行振动试验，检验其结构强度和可靠性，确保其能承受发射和飞行过程中的振动载荷。

  气体分析仪器用于航天器舱内气体成分监测和控制。质谱仪可对舱内气体进行实时分析，监测氧气、氮气、二氧化碳等气体浓度，保障航天员生存环境安全，同时也用于航天器推进系统中气体成分分析。

  用于模拟火箭发射时的强噪声环境（最高达 160dB），测试航天器结构与设备的声学响应特性。长征五号火箭发动机试车台配备的声学检测系统，可通过传声器阵列分析噪声频谱，优化发动机振动隔离设计，降低噪声对箭体结构的疲劳损伤。

  用于监测航天器舱内或洁净车间的微粒污染（粒径≥0.1μm），确保微电子器件、光学镜头等精密部件的洁净度。在航天器总装厂房中，粒子计数器实时监控空气中的尘埃粒子浓度，保障嫦娥探测器光学敏感器等精密设备的装配环境，避免微粒污染影响成像精度。

  在微重力环境下，液体表面张力主导流体行为，该仪器用于测量液体表面张力系数、接触角等参数。空间站 “微重力流体物理实验柜” 搭载的表面张力测量仪，可研究液桥振荡、毛细对流等现象，为航天器推进剂管理（如在轨补加时的流体控制）提供理论依据。

  虽主要应用于生物医学领域，但在航天医学研究中，可对航天员血液、尿液中的微量代谢物进行高通量分析，监测长期太空飞行对人体代谢的影响。例如，通过检验测试航天员体液中氧化应激标志物的变化，评估太空辐射与微重力环境对机体的损伤所致程度，为制定健康保障方案提供数据支持。

  天和核心舱内配置的无容器实验柜，利用静电悬浮技术创造 “无容器” 环境，让样品在微重力下悬浮，避免容器壁污染。柜内配备的高精度温度测量仪、激光加热装置等仪器，能精确控制样品温度，开展金属和非金属材料的深过冷凝固过程与机理研究等实验。而高微重力科学实验柜通过双层悬浮设计，将微重力水平提升至 10⁻⁷g 量级，内部搭载的冷原子干涉仪等仪器，用于开展等效原理检验技术试验等前沿研究，探索新物理现象。

  中国航天事业的蓬勃发展离不开众多科学仪器的有力支撑。从材料研发到环境模拟，从测控通信到各类功能测试，这些仪器在所有的环节发挥着关键作用，是航天事业背后的无名英雄。在第十个中国航天日，让我们向这些助力航天的科学仪器以及研发它们的科研人员致敬，期待未来更多先进仪器助力中国航天迈向更高峰。

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