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神舟十五号乘组在轨期间开展了很多项科学实验、试验，这其中有多个项目都是“首次”。
在轨期间，神舟十五号航天员乘组使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。
在轨期间，神舟十五号航天员乘组还完成了空间高效自由活塞斯特林热电转换试验装置在轨试验。这也是我国首次实现该技术在轨验证。斯特林热电转换是空间新能源的关键技术之一，它可以将热能高效转化为电能，并有结构简单、质量轻、启动快等优点，能够减少对传统太阳能的依赖，在未来载人月球及深空探测等空间任务中，具有广阔的应用前景。
今年3月，在地面科研人员和航天员协同配合下，梦天舱燃烧科学柜中的实验系统成功执行首次在轨点火测试。点火实验采用的是甲烷作为燃料，高速相机清晰地拍下了整个点火和燃烧过程。此次实验，验证了空间站燃烧科学实验系统功能的完备性，以及整体实验流程的准确性与科学性。
今年5月，三名航天员还对导电环磨屑产生过程和团簇现象首次实现了在轨观测，这对后续改进各类航天器的空间导电环产品设计，保证航天器在轨可靠稳定运行奠定了良好的基础。
