文/劉淮宇 劉巖

它是中國空間站建造過程中發(fā)射的首個實驗艙；它是當今世界最大單體載人航天器，全長達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驗艙。

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載火箭均由中國航天科技集團有限公司研制。下面就由研制人員對問天實驗艙進行深度解析。

▲ 問天實驗艙與天和核心艙交會對接示意圖

能生活、能實驗，如何做到兩不誤？

問天實驗艙，又被稱為實驗艙Ⅰ，相應地，今年晚些時候發(fā)射的夢天實驗艙被稱為實驗艙Ⅱ。

“空間站全面建造完成后，這兩個實驗艙將是航天員在軌工作和生活的主要場所。在兩個實驗艙里，都可以開展密封艙內和密封艙外的空間科學實驗和技術試驗?！眮碜院教炜萍技瘓F五院的中國工程院院士、中國載人航天工程空間站系統(tǒng)總設計師楊宏介紹，“問天”“夢天”兩個實驗艙都配置了艙內載荷試驗機柜和艙外載荷安裝平臺，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、空間材料、空間醫(yī)學以及空間探測等多個領域的試驗。

具體到此次發(fā)射的問天實驗艙而言，它配置了天和核心艙具備的航天員生活設施，包括3 個獨立睡眠區(qū)、1個衛(wèi)生區(qū)和廚房等設施，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。

▲ 航天員進入問天實驗艙，可見圖右側的變重力科學實驗柜

五院總體部總體室主任王為介紹，問天實驗艙內的航天員睡眠區(qū)比核心艙的更為寬敞，舷窗也進行了改進設計，宜居性進一步提高。“待問天實驗艙各項載人環(huán)境設置完畢后，神舟十四號航天員乘組會從‘天和’搬到‘問天’，搶先在新床鋪體驗一番?！蓖鯙檎f。

“相比核心艙來說，實驗艙支持開展實驗的能力更強，也更加凸顯了‘建站為應用’的宗旨?！眴柼鞂嶒炁摽傮w副主任設計師李喆介紹，問天實驗艙內可以提供8 個實驗機柜的裝載空間，相比核心艙的4 個，在數(shù)量上顯著增加。此外，問天實驗艙還能給艙外的暴露載荷提供22 個安裝工位，支持開展空間天文與天體物理、空間物理與空間環(huán)境以及有迎風面需求的暴露實驗等相關研究。

▲ 問天實驗艙機械臂地面測試

▲ 問天實驗艙主體部分

▲ 今年中國空間站將建成3 艙組合體

▲問天實驗艙二次展開太陽翼

據(jù)李喆介紹，問天實驗艙上配置了一個小型靈巧機械臂，既可以單獨使用，也可以跟核心艙的大機械臂組合使用，共同完成航天員的出艙、艙外設施照料、巡檢等任務?！靶⌒蜋C械臂的作業(yè)半徑是5 米，不及核心艙上大機械臂的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的工作。”李喆說。

總而言之，通過設計師們科學合理的設計，問天實驗艙打造出了宜居宜業(yè)、功能強大的良好環(huán)境，它與核心艙的強強聯(lián)合及后續(xù)夢天實驗艙的加盟，將助推國家太空實驗室得以建成。

從整體結構到追蹤飛行，空間站設計師的匠心幾何？

“外行看熱鬧，內行看門道?！遍L期從事載人航天工程航天器設計研究的王為表示，問天實驗艙和天和核心艙在功能上有重合之處，在結構上卻有著顯著差別——

由于核心艙起到核心樞紐作用，設計人員將其設計為貫通的結構，達到四通八達的狀態(tài)，更有利于充分利用各個方向的端口，實現(xiàn)空間站組合體在其基礎上的快速高效建造。

問天實驗艙作為一個專用的實驗艙，沒有采用貫通式的結構設計思路。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，最外側則是資源艙。

未來，問天實驗艙、夢天實驗艙與天和核心艙三艙形成大T字構型后，兩個實驗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構的作用，有效化解太陽翼相互遮擋的難題。兩個實驗艙的短桁架末端還可以用于核心艙太陽翼的轉位安裝，從而最大限度提高太陽電池翼整體受曬率，進而提高空間站整站三艙的發(fā)供電能力。

從單個航天器來看，問天實驗艙的供電能力不小于14 千瓦，給載荷的供電能力約5 千瓦，遠超之前的天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室。強大的供電能力自然能更好地支撐空間站上的各項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，問天實驗艙還有一個過人之處——它是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動飛行器。主動飛行器又叫追蹤飛行器，其最突出特點就是具備自主交會對接和實施轉位的功能。

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

問天實驗艙發(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一次完全展開。在交會對接的時候，太陽翼只展開一小部分，全部對接完成后，再全部展開。這樣設計使得問天實驗艙的太陽翼在交會對接時長度保持在較短狀態(tài)，對整個航天器控制的擾動就比較小，更為安全可靠。

▲ 早年劉洋在天宮一號目標飛行器內休息，如今問天實驗艙的居住條件大為改善

能力強擔重任，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行，如一顆星星高懸在太空之中，天上之人的安全始終牽動著無數(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務。為了保證載人航天器的安全穩(wěn)定運行，地面上的航天工程師需要通過航天器及其運行系統(tǒng)的設計確保人的安全，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，最后才能設計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需求的響應，也體現(xiàn)了中國空間站設計的后發(fā)優(yōu)勢。

正如人們常說的“不能把雞蛋放在一個籃子里”，空間站的多艙段布局使得各個艙段相對獨立，可以分布式地承擔安全保障功能，并且在局部出現(xiàn)問題時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控制管理中心，對整站進行統(tǒng)一控制。一旦核心艙出現(xiàn)故障，可能對人員安全構成威脅，問天實驗艙就可以整體接管全站控制工作。這得益于問天實驗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)境等關鍵功能。后續(xù)即將發(fā)射入軌的夢天實驗艙也具備關鍵功能的設備級備份，進一步提高整體系統(tǒng)安全性。

▲ 航天員從問天實驗艙專用氣閘艙出入示意圖

針對航天員出艙活動安全性，在問天實驗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。問天實驗艙結構機構分系統(tǒng)主任設計師常潔介紹，問天實驗艙的氣閘艙配置有兩個圓形艙門，直徑均為1 米，比天和核心艙節(jié)點艙的出艙艙門大30%左右，還貼心地配置了出艙助力裝置和可在軌應急組裝的艙門，讓航天員出艙活動更便捷、更安全。

據(jù)介紹，空間站建成以后，這個氣閘艙將成為航天員進行出艙活動的主要場所，而此前核心艙的節(jié)點艙則主要用于其他功能，同時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)點艙回到空間站，保證出艙活動的安全可靠。

2022 年，中國人自主設計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。

▲ 航天員經由節(jié)點艙進入問天實驗艙