中國(guó)空間站再添“新房”——問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙技術(shù)亮點(diǎn)解讀
■韓阜業(yè) 溫永至 譚仁煒
7月24日14時(shí)22分，搭載問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭，在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射。約495秒后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿(mǎn)成功。
7月25日3時(shí)13分，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙成功對(duì)接于天和核心艙前向端口。
幾代中國(guó)航天人、千千萬(wàn)萬(wàn)中國(guó)人夢(mèng)想中的“天宮畫(huà)卷”，正在緩緩拉開(kāi)帷幕。神舟、天舟、天和、問(wèn)天……伴隨著一次次頗具詩(shī)意的浪漫出發(fā)，中國(guó)航天人也在向世界傳達(dá)著這樣一個(gè)決心：“在星辰大海的征途上，中國(guó)航天永不止步。”
比天和核心艙更高、更大、更重，“體型”大致相當(dāng)于一節(jié)地鐵車(chē)廂
7月25日10時(shí)03分，神舟十四號(hào)飛行乘組成功開(kāi)啟問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙艙門(mén)，順利進(jìn)入問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的艙體總長(zhǎng)17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量達(dá)23噸，相關(guān)指標(biāo)高于天和核心艙，“體型”大致相當(dāng)于一節(jié)地鐵車(chē)廂，是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動(dòng)飛行器。
對(duì)在軌的3位航天員來(lái)說(shuō)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的到來(lái)可謂是“新房上線(xiàn)”。結(jié)構(gòu)上，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。其中，工作艙用來(lái)完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，氣閘艙用來(lái)支持太空出艙，資源艙用來(lái)儲(chǔ)備上行物資。
工作艙長(zhǎng)達(dá)9米，是目前我國(guó)航天器中體型最大、承載最重的密封艙。這里，還是航天員的生活工作場(chǎng)所。完成對(duì)接后，中國(guó)空間站的“床位”數(shù)增加到6個(gè)，靜候神舟十四號(hào)、神舟十五號(hào)兩乘組6名航天員的“太空會(huì)師”。
為了打造舒適安全的“太空之家”，航天科技集團(tuán)五院空間站結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在工作艙研制過(guò)程中，開(kāi)展了大量人性化設(shè)計(jì)——通過(guò)可翻轉(zhuǎn)式柜門(mén)設(shè)計(jì)，使儲(chǔ)物效率更高；3個(gè)獨(dú)立“臥室”自帶防輻射舷窗，讓航天員能安心欣賞艙外風(fēng)景；獨(dú)立衛(wèi)生區(qū)進(jìn)一步提升了私密性……此外，為了讓密封艙更加堅(jiān)固耐用，能夠按照在軌設(shè)計(jì)壽命穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員還在艙壁上設(shè)計(jì)了如同“金絲軟甲”一般的防護(hù)結(jié)構(gòu)。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙攜帶8個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、22個(gè)艙外載荷適配器，仿佛把一個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了太空。航天員出了“臥室”就能“上班”，可以在太空開(kāi)展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
為了更好地開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙搭載了我國(guó)首臺(tái)“太空冰箱”。不到0.5平方米的空間內(nèi)，高密度集成3個(gè)冷凍冷藏區(qū)，其中包括一個(gè)溫度可達(dá)零下80攝氏度的深冷環(huán)境。
據(jù)了解，空間站對(duì)設(shè)備材料的選擇有嚴(yán)格要求，這就導(dǎo)致很多地面常用的降噪材料不適用于空間站。因此，在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，“太空冰箱”的降噪問(wèn)題成了一個(gè)難題。
為了給問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙營(yíng)造安靜的環(huán)境，科研人員在消聲室內(nèi)搭建了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，攻克了復(fù)雜系統(tǒng)帶來(lái)的傳遞路徑繁瑣這一問(wèn)題。在千絲萬(wàn)縷的關(guān)聯(lián)中，科研人員找到了幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們對(duì)泵機(jī)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性設(shè)計(jì)，保證制冷效率的同時(shí)，將聲能輸入降至最低。與此同時(shí)，他們選用新型附著材料，提升結(jié)構(gòu)的阻尼，改良箱體的聲輻射效率……就這樣，每個(gè)細(xì)節(jié)都做到極致，每個(gè)設(shè)計(jì)都想到極限，“航天冰箱”在不改變體積的情況下，噪聲指標(biāo)竟然降低了近20分貝。
除了試驗(yàn)載荷功能，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還與天和核心艙互為備份，關(guān)鍵平臺(tái)功能一致，在需要的時(shí)候可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。同時(shí)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙提供了專(zhuān)用氣閘艙和應(yīng)急避難場(chǎng)所，讓中國(guó)空間站的在軌運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)更加可控，在軌長(zhǎng)壽命運(yùn)行更加可靠。
用四兩撥千斤的“中國(guó)功夫”，讓問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙在太空中平穩(wěn)“翱翔”
空間站三艙雖統(tǒng)一設(shè)計(jì)，但每個(gè)艙段“各有千秋”。作為集“主動(dòng)交會(huì)追蹤、組合體跨艙融合管理、大型能源供給、艙內(nèi)外載荷高效支持”等諸多功能為一體的艙段，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙有著強(qiáng)大的能源管理系統(tǒng)。
在外形上，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙有明顯不同——前者尾部有一對(duì)巨大的“翅膀”，也就是太陽(yáng)帆板或稱(chēng)柔性太陽(yáng)電池翼。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙配置的是目前國(guó)內(nèi)研制的最大面積可展收柔性太陽(yáng)翼，單翼全展開(kāi)狀態(tài)下最長(zhǎng)達(dá)27米，展開(kāi)面積可達(dá)110平方米。
兩個(gè)碩大的太陽(yáng)帆板一起工作，平均每天的太陽(yáng)能發(fā)電量將超過(guò)430度。在地面，這足夠一個(gè)普通家庭用上一個(gè)半月。無(wú)論是展開(kāi)面積還是供電能力，這對(duì)“翅膀”都達(dá)到了天和核心艙太陽(yáng)翼的兩倍多，雙翼超萬(wàn)瓦級(jí)的供電讓空間站基本實(shí)現(xiàn)了“用電無(wú)憂(yōu)”。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的太陽(yáng)帆板面積大、柔性大，帶著這樣一對(duì)又大又軟的“翅膀”進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，控制難度之高堪稱(chēng)空前。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體交會(huì)對(duì)接時(shí)，兩只“翅膀”全部張開(kāi)。為了避免對(duì)接產(chǎn)生的碰撞沖擊損傷“翅膀”，此次太陽(yáng)翼的展開(kāi)分“兩步走”共7個(gè)步驟進(jìn)行，中間還會(huì)有一次“中場(chǎng)休息”，全程歷時(shí)80分鐘。展開(kāi)、鎖緊、再展開(kāi)、再鎖緊，憑借其“高可靠可重復(fù)展收”的硬核技術(shù)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼在太空中收放自如、剛?cè)岵?jì)，時(shí)刻確保電力“在線(xiàn)”。
此外，在半剛性太陽(yáng)帆板控制基礎(chǔ)上，航天科技工作者研制出抑制柔性太陽(yáng)帆板振動(dòng)的方法，用四兩撥千斤的“中國(guó)功夫”，讓問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙在太空中平穩(wěn)“翱翔”。
此前，我國(guó)航天器大多使用半剛性太陽(yáng)帆板，2021年發(fā)射的空間站核心艙首次使用了柔性太陽(yáng)帆板。半剛性太陽(yáng)帆板的固有頻率范圍窄，算法簡(jiǎn)單易控制；柔性太陽(yáng)帆板非常軟，固有頻率范圍很寬，航天器上稍有同樣的控制頻率與它的固有頻率重合，帆板就會(huì)被激發(fā)而振動(dòng)起來(lái)。如果控制不好，每次“溫柔一振”都可能對(duì)航天任務(wù)造成致命影響。
這就好比兩個(gè)人用扁擔(dān)挑水——會(huì)挑水的人，健步如飛的同時(shí)巧妙調(diào)整身體起伏頻率和幅度，進(jìn)而控制肩上扁擔(dān)的顫動(dòng)，令水桶里的水只泛起微小波紋。不會(huì)挑水的人，則沒(méi)有掌握控制扁擔(dān)的技巧，致使扁擔(dān)上下抖動(dòng)嚴(yán)重，水桶晃動(dòng)厲害，行走速度也受扁擔(dān)影響而忽快忽慢。回到家時(shí)，本來(lái)裝滿(mǎn)水的水桶，可能就只剩下半桶水了。
專(zhuān)家們就是通過(guò)類(lèi)似的原理，控制航天器的姿態(tài)來(lái)抑制振動(dòng)。雖然調(diào)整的幅度很小，發(fā)揮的作用卻很大。首先，他們通過(guò)攝像機(jī)觀察等手段，識(shí)別柔性太陽(yáng)帆板的振動(dòng)參數(shù)。然后，計(jì)算機(jī)通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)確定航天器需要做出的姿態(tài)調(diào)整，并將命令下達(dá)給負(fù)責(zé)調(diào)整航天器姿態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
雖然研制人員對(duì)國(guó)外抑制太陽(yáng)帆板振動(dòng)的技術(shù)細(xì)節(jié)知之甚少，但從實(shí)際控制效果來(lái)看，我們自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的這種控制方法，更適合中國(guó)航天器的“體質(zhì)”。
空間站在軌建造完成后，天和核心艙的一個(gè)太陽(yáng)帆板將轉(zhuǎn)移到問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙資源艙的尾部。這樣一來(lái)，天和核心艙將“專(zhuān)心致志”進(jìn)行空間站管理工作，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將成為名副其實(shí)的“主發(fā)電站”，為組合體源源不斷地供電送能。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙艙內(nèi)配置了多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，就像把一個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了太空
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的一大特點(diǎn)，就是配置了全新的出艙氣閘艙。
在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中，氣閘艙的視覺(jué)效果十分獨(dú)特。外方內(nèi)圓的它，是空間站系統(tǒng)唯一一個(gè)看上去是方形的艙體。里面的圓柱狀結(jié)構(gòu)，是航天員開(kāi)展出艙活動(dòng)時(shí)的“更衣間”，航天員在這里作出艙準(zhǔn)備和艙外返回時(shí)，可以更舒展、更從容。
未來(lái)，這里將成為整個(gè)空間站系統(tǒng)的主要出艙通道。
出艙氣閘有一個(gè)直徑達(dá)1米的大門(mén)。航天員從這里進(jìn)進(jìn)出出，不僅更加方便，而且還能攜帶大個(gè)頭的設(shè)備出艙工作，艙外工作能力大大提升。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙是空間站系統(tǒng)中艙外活動(dòng)部件最多的艙體，大量的艙外設(shè)施設(shè)備更好地保障了出艙活動(dòng)，也為更精細(xì)的艙外操作提供了支持。
出艙氣閘外面的方形外殼，是艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，上面配置了22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口。未來(lái)，空間站搭載的科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，可以通過(guò)機(jī)械臂精準(zhǔn)“投送”到自己對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)載荷接口位置，“即插即用”，航天員不需要出艙進(jìn)行人工操作了。
實(shí)施精準(zhǔn)“投送”的機(jī)械臂，是問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙攜帶的一套5米長(zhǎng)的“小臂”。這套有著7自由度的機(jī)械臂小巧、精度高，方便抓取中小型設(shè)備，進(jìn)行更為精細(xì)的操作。“小臂”還可以與核心艙的“大臂”聯(lián)成15米長(zhǎng)的組合臂，便于覆蓋空間站的各個(gè)位置，開(kāi)展更多艙外操作。屆時(shí)，組合臂能夠在空間站天和、問(wèn)天、夢(mèng)天三艙組合體之間活動(dòng)，能控制的艙外范圍更大。
以天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙為基本構(gòu)型的天宮空間站完成建造后，意味著國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室將正式建成，并將開(kāi)展長(zhǎng)期、多領(lǐng)域、大規(guī)模空間科學(xué)與應(yīng)用研究。
載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師、中科院空間應(yīng)用中心研究員呂從民介紹，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙以生命科學(xué)和生物技術(shù)研究為主，在空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域規(guī)劃部署了研究主題。通過(guò)這些科學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，關(guān)注生命生長(zhǎng)發(fā)育和人的健康，探索人類(lèi)長(zhǎng)期太空生存所面臨的一系列科學(xué)問(wèn)題。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的艙內(nèi)配置了生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲(chǔ)柜、變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，就像把一個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了太空。
其中，兩個(gè)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所；科學(xué)手套箱為航天員精細(xì)操作科學(xué)樣品提供安全、高效的支持；低溫裝置用于實(shí)驗(yàn)樣品在軌存儲(chǔ)。
空間站里還會(huì)“種草”“養(yǎng)魚(yú)”。呂從民說(shuō)，生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜以多種類(lèi)型的生物個(gè)體為實(shí)驗(yàn)樣品，將開(kāi)展擬南芥、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚(yú)等生物的空間生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，揭示微重力對(duì)生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝的影響，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解。
在軌期間，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將上演一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的“太空泊車(chē)”大片
此次發(fā)射是中國(guó)空間站進(jìn)入建造階段后的第三次發(fā)射，也是這一階段首次在有人狀態(tài)下迎接航天器來(lái)訪。
7月17日，天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船完成全部既定任務(wù)，撤離空間站組合體。天舟三號(hào)撤離前停靠的對(duì)接端口，是空間站核心艙的前向?qū)涌冢彩菃?wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的對(duì)接口。所以問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射之前，天舟三號(hào)就要從組合體撤離，讓出對(duì)接口，迎接問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的到來(lái)。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙入軌后，順利完成狀態(tài)設(shè)置，于7月25日3時(shí)13分，成功對(duì)接于天和核心艙前向端口，這是我國(guó)兩個(gè)20噸級(jí)航天器首次在軌實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，也是我國(guó)空間站有航天員在軌駐留期間首次進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。
如此大場(chǎng)面，“身經(jīng)百戰(zhàn)”的對(duì)接機(jī)構(gòu)依然“駕輕就熟”。由于設(shè)計(jì)先進(jìn)、安全可靠，對(duì)接機(jī)構(gòu)完全可以適應(yīng)未來(lái)空間站建造8噸到180噸各種噸位以及各種方式的對(duì)接。
整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約13小時(shí)。對(duì)接完成后，我國(guó)空間站以龐大的身軀繼續(xù)在軌飛行，“養(yǎng)精蓄銳”迎接下一次大動(dòng)作。
據(jù)介紹，在軌期間，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將完成我國(guó)首次在軌大慣量轉(zhuǎn)位動(dòng)作——通過(guò)平面轉(zhuǎn)位90度，讓原本對(duì)接在節(jié)點(diǎn)艙前向?qū)涌诘膯?wèn)天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)艙的側(cè)向停泊口并再次對(duì)接，從而騰出核心艙的前向?qū)涌冢瑸閴?mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的到訪做好充分準(zhǔn)備。
這將是我國(guó)首次航天器在軌轉(zhuǎn)位試驗(yàn)，也是國(guó)際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案進(jìn)行航天器轉(zhuǎn)位的探索嘗試。轉(zhuǎn)位過(guò)程中，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將上演一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的“太空泊車(chē)”大片。
問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位成功，是后續(xù)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射的前提。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙就位后，空間站運(yùn)營(yíng)階段任務(wù)才能隨之開(kāi)啟，天宮空間站才能真正宣告成功。
據(jù)航天科技集團(tuán)五院空間站任務(wù)總設(shè)計(jì)師楊宏介紹，天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙，整體呈T字構(gòu)型。也就是說(shuō)，三艙位于同一平面，兩個(gè)尺寸、質(zhì)量特性大體一致的實(shí)驗(yàn)艙對(duì)向布置，形成“T”字的一橫。
利用每個(gè)實(shí)驗(yàn)艙自身近20米長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合各自配置的雙自由度太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩對(duì)大型太陽(yáng)翼成為“T”字一橫遠(yuǎn)端的兩個(gè)“大風(fēng)車(chē)”。不管空間站以何種姿勢(shì)飛行，太陽(yáng)翼都能高效發(fā)電。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙分別位于“T”字一橫的端頭，正常工作泄壓或異常隔離時(shí)均不影響其他密封艙段構(gòu)成連貫空間，保證了安全性。
作為“T”字那一豎的核心艙，在這個(gè)對(duì)稱(chēng)關(guān)系中仍然保持著前、后、下三向?qū)拥哪芰Α笙驅(qū)迂涍\(yùn)飛船，使得組合體可以直接利用貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)；前向、徑向兩個(gè)對(duì)接口不僅可以接納兩艘載人飛船實(shí)現(xiàn)輪換，而且可讓載人飛船在軌道面內(nèi)沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對(duì)接，無(wú)需對(duì)接后再轉(zhuǎn)換對(duì)接口。
對(duì)于航天任務(wù)流程而言，這樣的“百變金剛”既美觀又安全。