“問天”十問——詳解中國(guó)空間站問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)

7月24日下午，長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭托舉著問天實(shí)驗(yàn)艙一飛沖天。約13小時(shí)后，問天實(shí)驗(yàn)艙與核心艙組合體成功交會(huì)對(duì)接。7月25日10時(shí)3分，神舟十四號(hào)航天員乘組成功開啟問天實(shí)驗(yàn)艙艙門，順利進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙。這是中國(guó)航天員首次在軌進(jìn)入科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙。

“問天”長(zhǎng)啥樣？帶了什么上天？能做哪些實(shí)驗(yàn)？有哪些黑科技……“問天”十問，詳細(xì)解讀中國(guó)空間站問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)。

圖為7月25日在北京航天飛行控制中心拍攝的神舟十四號(hào)航天員乘組進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙。這是航天員陳冬進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙。

一問：“問天”長(zhǎng)啥樣？

問天實(shí)驗(yàn)艙是中國(guó)空間站第二個(gè)艙段，也是首個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙，主要用于支持航天員駐留、出艙活動(dòng)和開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可作為天和核心艙的備份，對(duì)空間站進(jìn)行管理。

“問天實(shí)驗(yàn)艙艙體總長(zhǎng)17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量約23噸，是我國(guó)目前最重、尺寸最大的單體飛行器。”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師張昊介紹。

二問：“問天”為何“零窗口”發(fā)射？

“問天實(shí)驗(yàn)艙需要與空間站天和核心艙進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，因此，必須在規(guī)定時(shí)間發(fā)射，也就是‘零窗口’發(fā)射，否則將無法到達(dá)指定位置，需要耗費(fèi)巨大代價(jià)調(diào)整軌道，甚至導(dǎo)致發(fā)射終止，那就需要等待下一個(gè)發(fā)射窗口重新組織發(fā)射，嚴(yán)重影響任務(wù)周期。”航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭總體副主任設(shè)計(jì)師劉秉說，這次發(fā)射是長(zhǎng)五系列火箭首次執(zhí)行“零窗口”發(fā)射任務(wù)。

劉秉介紹，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭應(yīng)用了起飛時(shí)間偏差修正技術(shù)，最大修正時(shí)間為2.5分鐘。“通俗理解，在0到2.5分鐘這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的任一時(shí)間點(diǎn)發(fā)射，火箭都可以在飛行過程中自動(dòng)修正因推遲發(fā)射導(dǎo)致的飛行偏差，將實(shí)驗(yàn)艙精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。”劉秉說。

三問：“問天”如此龐大，如何“穿針引線”？

問天實(shí)驗(yàn)艙尺寸大、太陽(yáng)翼柔，升空時(shí)具有發(fā)動(dòng)機(jī)推力相對(duì)更小、羽流干擾更大等特點(diǎn)，多種情況耦合，給交會(huì)對(duì)接帶來諸多難題。航天科技集團(tuán)五院?jiǎn)柼鞂?shí)驗(yàn)艙GNC分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師宋曉光說：“前輩留下了很多經(jīng)驗(yàn)，包括一些算法和策略，我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上針對(duì)問天實(shí)驗(yàn)艙做了大量的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。”

“具體措施，一方面是把參數(shù)搞準(zhǔn)，另一方面是在算法上做到有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。”宋曉光說。

四問：航天員能立刻進(jìn)入“問天”嗎？

25日3時(shí)13分，問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙組合體完成交會(huì)對(duì)接。約7個(gè)小時(shí)后，神舟十四號(hào)航天員乘組進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙。為什么航天員在交會(huì)對(duì)接后沒有立即進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙？

“發(fā)射并完成對(duì)接后，航天員是不能直接進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙的。航天員首次進(jìn)入至少需要以下步驟：首先是提前啟動(dòng)艙內(nèi)有害氣體凈化功能，建立滿足進(jìn)人條件的環(huán)境，包括艙內(nèi)的壓力、溫度、濕度和風(fēng)速等，有些工作從地面就已經(jīng)開展了；第二步是確保天和核心艙、過道和問天實(shí)驗(yàn)艙壓力都一致平衡了，才可以輕松打開艙門。”航天員中心問天實(shí)驗(yàn)艙環(huán)控生保分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師羅亞斌說。

進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙后，航天員馬上又要進(jìn)行忙碌的整理工作，包括物資搬運(yùn)、生活環(huán)境布置、科學(xué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、出艙活動(dòng)準(zhǔn)備，將“太空之家”布置得更加合理、寬敞、舒適。

五問：“問天”帶了什么上天？

問天實(shí)驗(yàn)艙由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。問天實(shí)驗(yàn)艙中的工作艙近10米長(zhǎng)，是我國(guó)目前最大的載人密封航天器艙體。工作艙后面緊接著是氣閘艙，以后專門用于航天員出艙。再后面就是資源艙。

問天實(shí)驗(yàn)艙艙內(nèi)主要設(shè)備布局在工作艙，裝載了8個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，包括生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、科學(xué)手套箱、低溫存儲(chǔ)柜以及3個(gè)為后續(xù)預(yù)留的空置實(shí)驗(yàn)柜，還有3個(gè)睡眠區(qū)、1個(gè)衛(wèi)生區(qū)，以及平臺(tái)飛行所需要的設(shè)備。“艙外還裝載了22個(gè)載荷適配器，就像是把一個(gè)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了太空。”張昊說。

六問：“問天”能做哪些實(shí)驗(yàn)？

問天實(shí)驗(yàn)艙的主要任務(wù)是進(jìn)行生命科學(xué)和生物技術(shù)研究，艙內(nèi)最具“含金量”的當(dāng)屬8個(gè)寬1米、高1.8米、深0.8米的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

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，生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜將開展擬南芥、果蠅、斑馬魚等動(dòng)植物的空間生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)；生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜開展細(xì)胞組織培養(yǎng)、空間蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析、蛋白與核酸共起源和空間生物力學(xué)等實(shí)驗(yàn)；變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的復(fù)雜流體物理、顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等科學(xué)研究；科學(xué)手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環(huán)境控制，配置靈巧機(jī)械臂具備細(xì)胞級(jí)精細(xì)操作能力，為航天員操作多學(xué)科實(shí)驗(yàn)樣品提供安全、高效支持；從-80℃到4℃的低溫存儲(chǔ)柜，能夠滿足不同實(shí)驗(yàn)樣品的不同溫度需求。

實(shí)驗(yàn)艙外部署了能量粒子探測(cè)器、等離子體原位成像探測(cè)器，為航天員健康、空間站安全運(yùn)營(yíng)提供保障支持，并可用于空間環(huán)境基礎(chǔ)研究。

七問：“問天”與“天和”如何分工合作？

相比一個(gè)飛行器或者一個(gè)航天器來說，多個(gè)航天器的組合，控制起來更復(fù)雜。張昊介紹，問天實(shí)驗(yàn)艙跟天和核心艙對(duì)接完成后，要把這兩個(gè)艙段的組合體作為一個(gè)整體來進(jìn)行控制，核心艙作為主控艙段，問天實(shí)驗(yàn)艙是從屬地位，同時(shí)問天實(shí)驗(yàn)艙的平臺(tái)功能與天和核心艙互為備份。

八問：“問天”柔性太陽(yáng)翼的功能是什么？

問天實(shí)驗(yàn)艙所攜帶的太陽(yáng)翼，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)最大的柔性太陽(yáng)翼，刷新了我國(guó)航天器在軌使用太陽(yáng)帆板的紀(jì)錄。

宋曉光介紹，太陽(yáng)翼采用了雙軸控制，在艙體姿態(tài)不做調(diào)整的情況下，就能隨時(shí)調(diào)整朝向。

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)移到問天實(shí)驗(yàn)艙資源艙的尾部。屆時(shí)，問天實(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。

九問：“問天”小機(jī)械臂能完成什么工作？

與天和核心艙一樣，問天實(shí)驗(yàn)艙也搭載了一個(gè)機(jī)械臂。相比于核心艙配備的展開長(zhǎng)度達(dá)10米、最大承載質(zhì)量25噸的大機(jī)械臂，問天實(shí)驗(yàn)艙的機(jī)械臂要顯得更“短小精悍”。

張昊介紹，大機(jī)械臂手臂夠長(zhǎng)，轉(zhuǎn)移范圍更大，作業(yè)半徑近10米；力氣夠大，簡(jiǎn)直是一個(gè)“大力士”，可以抓住并轉(zhuǎn)移一個(gè)完整的航天器。

相比之下，問天實(shí)驗(yàn)艙的小機(jī)械臂長(zhǎng)度約5米，承載能力為3噸，但這個(gè)“小手”的設(shè)計(jì)目的就是抓握中小型設(shè)備，進(jìn)行更為精細(xì)化的操作。

比如，它可以在不需要航天員出艙的情況下，獨(dú)立完成艙外載荷的安裝、更換等照料操作，可以有效節(jié)省航天員在軌工作負(fù)荷。

大小機(jī)械臂還可以組合使用，組成約15米長(zhǎng)的組合臂，開展更多的艙外操作。“我們可以將大小機(jī)械臂視為人的兩只手，互相交接?xùn)|西，協(xié)作使用；也可以將兩只手臂攥在一起，形成一個(gè)更長(zhǎng)的機(jī)械臂，可以進(jìn)行覆蓋整個(gè)空間站表面的一些操作和爬行需求。”張昊說。

十問：“問天”上還有什么“黑科技”？

空間站建造過程中“惜重如金”，但此次問天實(shí)驗(yàn)艙攜帶了4個(gè)100多公斤的大家伙，學(xué)名叫控制力矩陀螺，已經(jīng)升空的核心艙攜帶6個(gè)、天舟四號(hào)攜帶1個(gè)，隨后天舟五號(hào)還將攜帶1個(gè)，12個(gè)控制力矩陀螺聯(lián)合使用，就可以使超過100噸的空間站的姿態(tài)控制“坐如鐘、行如風(fēng)”。

“通過控制力矩陀螺不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠有效控制航天器的姿態(tài)，減少通過燃燒燃料推動(dòng)航天器姿態(tài)調(diào)整的消耗，是一款節(jié)能神器。”宋曉光說。

我國(guó)第一臺(tái)控制力矩陀螺，是2011年隨天宮一號(hào)上天的。它的在軌應(yīng)用是我國(guó)空間機(jī)電部件發(fā)展的一個(gè)里程碑，使我國(guó)成為國(guó)際上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家。

（據(jù)新華社）