梦天实验舱是在空间站的基础上改造而成，其主要用途是在空间站舱外安装设备，提供微重力环境进行科学实验，为未来开展载人空间交会对接、短期无人驻留试验提供支持。 梦天实验舱是我国载人航天工程三步走战略的第二步：建造自己的空间站，实现有人、有长期在轨自主飞行能力。

梦天实验舱内搭载了一个名为太空炼钢炉的实验装置，用于开展空间材料在轨培养实验。 该实验装置由上海交通大学、中国空间技术研究院和法国阿格莱姆公司联合研制，采用液氮低温物理冶金法对钢水进行提纯和处理。 这一工艺已经在中国空间站上应用了十余年，但是一直没有开展实际应用。

这是一个利用液氮制冷技术完成的太空炼钢炉。 从目前国际上的探索来看，太空炼钢铁已经被证明是可行的。 这也就意味着我国将有能力开展太空炼钢铁实验研究，甚至可以利用此技术开展空间机器人研发、新材料研发等，进而促进我国航空航天事业发展，为国防安全和经济建设作出贡献。

一、什么是太空炼钢炉？

太空炼钢炉是利用液氮低温物理冶金法，将液态钢水在常温条件下进行凝固，然后再通过后续加工、精炼等工艺使之成为固态钢材的一种技术。 与地面冶炼钢铁不同，在太空环境中可以实现液态钢水的再凝固。 由于空间环境比地面要恶劣得多，所以在太空中炼铁是一个非常具有挑战性的难题。 需要解决的技术问题有很多，包括： 如何保证液态钢水稳定地凝固而不出现冷凝现象； 液体钢水的冷却过程中如何避免气泡形成导致液氮泄漏； 如何对液氮进行回收处理等等。

二、什么是液氮低温物理冶金法工艺？

据报道，梦天实验舱内采用了液氮低温物理冶金法，通过控制气体成分，从而改变了钢水的成分和性能。 该工艺是利用液氦的冷量比钢更低而具有高导电性的特性，将液氮和氧气混合后，进行过冷却得到液态钢水或气体混合物。 然后将钢水经过特殊处理后，再注入到高温炉内进行熔炼得到可直接使用的钢。 而这一工艺能够最大程度地避免出现化学成分改变的问题。 根据阿格莱姆公司官网介绍，该工艺可广泛用于航天领域（如火箭燃料、航天器关键部件等）、汽车工业、机械制造、医疗器械等诸多领域。 此外，液氮低温物理冶金法还可以用于生产生物材料和半导体材料等高科技产品，并且还能对环境污染进行有效控制。

三、为何要进行低温冶金实验？

航天技术离不开钢铁材料，而钢在太空中的反应速度要比地球上慢得多，且无法通过太空微重力环境对钢铁进行冶炼。 因此，利用宇宙低温条件获得的低温冶金法能够将铁与其他金属元素在宇宙中分离。 这一技术也被称为超重力冶金，也就是常说的低温冶金。 超重力环境可以有效地促进铁、镍、铜等金属元素的分离，从而实现高纯度钢水制备。 并且由于超重力环境中氧气和氢气浓度低，在冶金过程中还能大大降低反应活化能，从而使反应速率大大提高。 这就意味着，未来在太空中能够直接制备出高性能的高纯钢产品来，以满足航天领域以及航空航天等领域的应用需求。

四、为什么要用到这个太空炼钢炉？

在国际空间站的研究表明，钢中的铁含量达到了12%左右，是普通钢铁的2倍多。 在太空中，由于温度、气压、辐射等环境因素变化，材料在轨培养会发生一系列变化。 为了研究这种变化，科学家们就需要探索这种现象背后原理并掌握相关技术。因此，他们开展了各种实验验证这种现象，包括太空炼钢炉试验项目。 这个实验主要是针对钢水的研究，目的在于了解不同金属材料在太空环境下如何被培养成所需要的性能和特性。 在炼钢炉中将钢水与空气、氧以及各种元素混合物一起加热至高温（800摄氏度）并冷却；在此过程中钢水将吸收各种元素，生成它们所需要的成分。 经过几天或者几周后再进行实验验证，以研究钢中这些成分对材料性能的影响。

五、这套系统可以做哪些实验？

（1）太空炼钢炉：用于开展低温钢水在轨培养实验，在轨培养过程中需要完成的关键技术，主要包括钢水处理、真空结晶和凝固和高温锻造。 （2）太空制氧机：用于进行微重力环境下的气体采样实验，主要是针对氧气浓度、空气流速等条件。 （3）空间样品采集系统：包括样品容器、取样设备、样品检测设备，用于开展高分辨率空间材料科学试验研究。 （4）高通量材料制备：可在轨进行材料表面结构形态分析与表征，以及通过空间冶金技术进行材料制备的探索研究。 （5）真空实验装置：用于开展微重力环境下的材料培养试验。 （6）地面力学特性研究实验：主要是以微重力环境下液体和固体力学性能试验为目的的地球动力学试验。 （7）地面力学性能分析实验：主要是开展微重力条件下微重力实验环境下力学性能测试的研究。

六、该系统主要工作流程及特点是什么：

（1）炉内产生高温气体：利用真空泵将液态氮注入装置，加热钢水温度达到300℃左右； （2）液氮冷却：当炉温下降到一定程度后，打开冷却通道，将钢水从炉内排出； （3）钢水处理：将经过低温过滤和脱氧的钢水放入真空罐中，通过蒸发法处理产生结晶状晶体； （4）结晶态晶体的形成：利用离子束辐照使结晶态晶体升华并从炉内排出； （5）冷却结晶：利用低温蒸发法对钢水进行结晶分离，最终得到满足使用要求的高品质金属粉末。 我们通过真空设备将液氮注入到钢水中，然后利用离子束辐照产生的辐射压力将液态氮气化并蒸发冷却到0℃左右，在真空环境中将液态氮转化为固态氮冰，最终得到满足使用要求的高品质金属粉末。

​七、目前，这项实验装置还处于原理验证阶段，未来有哪些用途？

（2）在轨实验：利用空间站上安装的低温制冷系统，通过低温冶金法对钢水进行提纯处理，提取出金属杂质，然后在地面上进行成分分析以验证其性能。 （3）科研：通过试验验证真空环境下液态氮冷却凝固过程的物理特性，实现固态金属的凝固实验。 （4）新材料：基于低温物理冶金法对金属材料进行成分分析研究，获得钢中元素含量、碳化物、硫、磷、钛和镍等的变化规律，为实现钢铁产品性能优化奠定基础。 （5）空间机器人：实现对航天器在轨飞行的自主控制和维护，以实现无人长期在轨驻留试验。 （6）其他：用于开展空间材料科学实验研究以及空间材料生长等相关科学研究。 另外在2021年8月，我国的两个实验舱完成了对接之后，梦天实验舱和天舟二号货运飞船分别成为了空间站的实验舱和资源舱。