承“問天”之名 懷“問天”之志
——解析中國空間站問天實(shí)驗(yàn)艙

文/劉淮宇 劉巖

它是中國空間站建造過程中發(fā)射的首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙；它是當(dāng)今世界最大單體載人航天器，全長達(dá)17.9 米，最大直徑4.2 米，發(fā)射重量約23 噸；它承載著“問天”之名、胸懷“問天”之志，開啟了中國人探索浩瀚宇宙的嶄新篇章。它就是2022 年7 月24 日由長征五號B 運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射的中國空間站問天實(shí)驗(yàn)艙。

值得一提的是，中國空間站工程使用的空間站各艙段、載人飛船、貨運(yùn)飛船、中繼衛(wèi)星及發(fā)射這些航天器所使用的長征系列運(yùn)載火箭均由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制。下面就由研制人員對問天實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行深度解析。

▲ 問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙交會(huì)對接示意圖

能生活、能實(shí)驗(yàn)，如何做到兩不誤？

問天實(shí)驗(yàn)艙，又被稱為實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ，相應(yīng)地，今年晚些時(shí)候發(fā)射的夢天實(shí)驗(yàn)艙被稱為實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ。

“空間站全面建造完成后，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將是航天員在軌工作和生活的主要場所。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙里，都可以開展密封艙內(nèi)和密封艙外的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。”來自航天科技集團(tuán)五院的中國工程院院士、中國載人航天工程空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊宏介紹，“問天”“夢天”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都配置了艙內(nèi)載荷試驗(yàn)機(jī)柜和艙外載荷安裝平臺(tái)，也提供了信息、供電和散熱等支持和保障措施，支持開展空間科學(xué)、空間材料、空間醫(yī)學(xué)以及空間探測等多個(gè)領(lǐng)域的試驗(yàn)。

具體到此次發(fā)射的問天實(shí)驗(yàn)艙而言，它配置了天和核心艙具備的航天員生活設(shè)施，包括3 個(gè)獨(dú)立睡眠區(qū)、1個(gè)衛(wèi)生區(qū)和廚房等設(shè)施，可保障3 名航天員的基本生活。這使得它可以與核心艙合作共同支持兩艘載人飛船輪換期間6 名航天員的生活。

▲ 航天員進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙，可見圖右側(cè)的變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

五院總體部總體室主任王為介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的航天員睡眠區(qū)比核心艙的更為寬敞，舷窗也進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，宜居性進(jìn)一步提高。“待問天實(shí)驗(yàn)艙各項(xiàng)載人環(huán)境設(shè)置完畢后，神舟十四號航天員乘組會(huì)從‘天和’搬到‘問天’，搶先在新床鋪體驗(yàn)一番。”王為說。

“相比核心艙來說，實(shí)驗(yàn)艙支持開展實(shí)驗(yàn)的能力更強(qiáng)，也更加凸顯了‘建站為應(yīng)用’的宗旨。”問天實(shí)驗(yàn)艙總體副主任設(shè)計(jì)師李喆介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)可以提供8 個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的裝載空間，相比核心艙的4 個(gè)，在數(shù)量上顯著增加。此外，問天實(shí)驗(yàn)艙還能給艙外的暴露載荷提供22 個(gè)安裝工位，支持開展空間天文與天體物理、空間物理與空間環(huán)境以及有迎風(fēng)面需求的暴露實(shí)驗(yàn)等相關(guān)研究。

▲ 問天實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂地面測試

▲ 問天實(shí)驗(yàn)艙主體部分

▲ 今年中國空間站將建成3 艙組合體

▲問天實(shí)驗(yàn)艙二次展開太陽翼

據(jù)李喆介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙上配置了一個(gè)小型靈巧機(jī)械臂，既可以單獨(dú)使用，也可以跟核心艙的大機(jī)械臂組合使用，共同完成航天員的出艙、艙外設(shè)施照料、巡檢等任務(wù)。“小型機(jī)械臂的作業(yè)半徑是5 米，不及核心艙上大機(jī)械臂的10 米作業(yè)半徑，但是操作精度更高，可以開展一些更為精細(xì)的工作。”李喆說。

總而言之，通過設(shè)計(jì)師們科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，問天實(shí)驗(yàn)艙打造出了宜居宜業(yè)、功能強(qiáng)大的良好環(huán)境，它與核心艙的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合及后續(xù)夢天實(shí)驗(yàn)艙的加盟，將助推國家太空實(shí)驗(yàn)室得以建成。

從整體結(jié)構(gòu)到追蹤飛行，空間站設(shè)計(jì)師的匠心幾何？

“外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。”長期從事載人航天工程航天器設(shè)計(jì)研究的王為表示，問天實(shí)驗(yàn)艙和天和核心艙在功能上有重合之處，在結(jié)構(gòu)上卻有著顯著差別——

由于核心艙起到核心樞紐作用，設(shè)計(jì)人員將其設(shè)計(jì)為貫通的結(jié)構(gòu)，達(dá)到四通八達(dá)的狀態(tài)，更有利于充分利用各個(gè)方向的端口，實(shí)現(xiàn)空間站組合體在其基礎(chǔ)上的快速高效建造。

問天實(shí)驗(yàn)艙作為一個(gè)專用的實(shí)驗(yàn)艙，沒有采用貫通式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。它的工作艙是我國最大的密封艙，比“天和”和“夢天”的密封艙都要大。緊挨著工作艙的是人員專用氣閘艙，最外側(cè)則是資源艙。

未來，問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙三艙形成大T字構(gòu)型后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙對向布局將形成近40 米橫向跨度，可以起到類似國際空間站桁架結(jié)構(gòu)的作用，有效化解太陽翼相互遮擋的難題。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的短桁架末端還可以用于核心艙太陽翼的轉(zhuǎn)位安裝，從而最大限度提高太陽電池翼整體受曬率，進(jìn)而提高空間站整站三艙的發(fā)供電能力。

從單個(gè)航天器來看，問天實(shí)驗(yàn)艙的供電能力不小于14 千瓦，給載荷的供電能力約5 千瓦，遠(yuǎn)超之前的天宮一號目標(biāo)飛行器、天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室。強(qiáng)大的供電能力自然能更好地支撐空間站上的各項(xiàng)科研工作和航天員生活。

相比此前我國研制發(fā)射的載人航天器，問天實(shí)驗(yàn)艙還有一個(gè)過人之處——它是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動(dòng)飛行器。主動(dòng)飛行器又叫追蹤飛行器，其最突出特點(diǎn)就是具備自主交會(huì)對接和實(shí)施轉(zhuǎn)位的功能。

王為透露，如此大規(guī)模的航天器主動(dòng)去進(jìn)行交會(huì)對接，給控制方面帶來很大挑戰(zhàn)，科研人員有針對性地進(jìn)行了大量分析工作盡最大可能降低風(fēng)險(xiǎn)隱患。

問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌后，其配置的我國最大且具有二次展開功能的雙自由度柔性太陽翼不會(huì)一次完全展開。在交會(huì)對接的時(shí)候，太陽翼只展開一小部分，全部對接完成后，再全部展開。這樣設(shè)計(jì)使得問天實(shí)驗(yàn)艙的太陽翼在交會(huì)對接時(shí)長度保持在較短狀態(tài)，對整個(gè)航天器控制的擾動(dòng)就比較小，更為安全可靠。

▲ 早年劉洋在天宮一號目標(biāo)飛行器內(nèi)休息，如今問天實(shí)驗(yàn)艙的居住條件大為改善

能力強(qiáng)擔(dān)重任，空間站組合體何以承載生命之重？

載人航天器在深邃太空中運(yùn)行，如一顆星星高懸在太空之中，天上之人的安全始終牽動(dòng)著無數(shù)身處地面的航天科研人員的心。

中國載人航天工程空間站系統(tǒng)總指揮王翔曾撰文指出，保證人在太空的安全是載人航天第一要?jiǎng)?wù)。為了保證載人航天器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，地面上的航天工程師需要通過航天器及其運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確保人的安全，在基本的生存環(huán)境之上建立人能夠處于舒適狀態(tài)的生活條件，最后才能設(shè)計(jì)和建造高效的工作場所與保障條件。這一切既是對載人航天任務(wù)需求的響應(yīng)，也體現(xiàn)了中國空間站設(shè)計(jì)的后發(fā)優(yōu)勢。

正如人們常說的“不能把雞蛋放在一個(gè)籃子里”，空間站的多艙段布局使得各個(gè)艙段相對獨(dú)立，可以分布式地承擔(dān)安全保障功能，并且在局部出現(xiàn)問題時(shí)能夠通過物理隔離保證全局安全。

就中國空間站而言，日常情況下，以天和核心艙作為平臺(tái)控制管理中心，對整站進(jìn)行統(tǒng)一控制。一旦核心艙出現(xiàn)故障，可能對人員安全構(gòu)成威脅，問天實(shí)驗(yàn)艙就可以整體接管全站控制工作。這得益于問天實(shí)驗(yàn)艙備份了完整的能源管理、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關(guān)鍵功能。后續(xù)即將發(fā)射入軌的夢天實(shí)驗(yàn)艙也具備關(guān)鍵功能的設(shè)備級備份，進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)安全性。

▲ 航天員從問天實(shí)驗(yàn)艙專用氣閘艙出入示意圖

針對航天員出艙活動(dòng)安全性，在問天實(shí)驗(yàn)艙的資源艙和工作艙之間，配置了航天員出艙主份氣閘艙，它也是我國最大的人員專用出艙艙段。問天實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師常潔介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙配置有兩個(gè)圓形艙門，直徑均為1 米，比天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙的出艙艙門大30%左右，還貼心地配置了出艙助力裝置和可在軌應(yīng)急組裝的艙門，讓航天員出艙活動(dòng)更便捷、更安全。

據(jù)介紹，空間站建成以后，這個(gè)氣閘艙將成為航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)的主要場所，而此前核心艙的節(jié)點(diǎn)艙則主要用于其他功能，同時(shí)作為特殊情況下的備份氣閘艙。在出艙過程中，如果主份氣閘艙出現(xiàn)問題，航天員能通過節(jié)點(diǎn)艙回到空間站，保證出艙活動(dòng)的安全可靠。

2022 年，中國人自主設(shè)計(jì)建造的空間站將全面建成，我們期待著中國“天宮”在浩瀚太空中不斷帶給我們更多驚喜和新知。

▲ 航天員經(jīng)由節(jié)點(diǎn)艙進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙