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圖為7月24日14時22分,搭載問天實驗艙的長五B運載火箭在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。 屠海超 攝

□ 本報記者 陳麗平 廉穎婷

【資料圖】

7月25日10時03分,神舟十四號航天員乘組順利進入空間站問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學(xué)實驗艙。

7月24日14時22分,搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭(以下簡稱長五B運載火箭),在我國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。

由中國航天科技集團有限公司五院研制的問天實驗艙,是中國空間站第二個艙段,也是首個科學(xué)實驗艙,由工作艙、氣閘艙和資源艙組成,起飛重量約23噸,主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展空間科學(xué)實驗。

更大更強更足更優(yōu)更細

問天實驗艙,稱得上更大、更強、更足、更優(yōu)、更細。

體重更大。問天實驗艙艙體總長17.9米,直徑4.2米,發(fā)射重量達23噸。這塊頭和分量,跟北京地鐵13號線列車的一節(jié)車廂差不多,是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動飛行器。

問天實驗艙的工作艙是迄今我國最大、世界第二大單密封艙體。與天和核心艙完成對接后,中國空間站將更加溫馨舒適,而且“床位”數(shù)增加到6個。

系統(tǒng)功能更強。問天實驗艙是一個集平臺功能與試驗載荷功能于一體的“全能型”選手。

平臺功能方面,問天實驗艙與天和核心艙互為備份,關(guān)鍵平臺功能一致,可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。也就是說,在天和核心艙“想休息”的時候,問天實驗艙也能頂上,“帶你一起飛”。

問天實驗艙不僅保障航天員在軌長期駐留,而且提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所,保證航天員安全,讓中國空間站的在軌運行風(fēng)險更加可控,在軌長壽命運行更加可靠。

在試驗載荷功能上,問天實驗艙裝載了8個實驗機柜、22個艙外載荷適配器,就像是把一個大型科學(xué)實驗室搬到了太空。航天員在問天實驗艙工作,出了“臥室”就能“上班”。

問天實驗艙配備了一對雙自由度柔性太陽帆板,全部展開后的翼展超過55米,比半個足球場還要長。這也刷新了我國航天器在軌使用太陽帆板的紀錄。

問天實驗艙的太陽帆板面積大柔性也大,帶著這么大的一對“軟翅膀”進行交會對接,控制難度之高堪稱空前。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性和在軌風(fēng)險,問天實驗艙也相應(yīng)地實現(xiàn)了多個系統(tǒng)功能創(chuàng)新,如采取太陽帆板二次展開方案,發(fā)射后先展開約五分之一的長度,待對接完成后再展開到位。

能源保障更足。問天實驗艙的能源管理系統(tǒng)十分強大,自帶高性能“發(fā)電機”與“配電器”。

問天實驗艙的每個太陽帆板展開面積約110平方米,差不多相當(dāng)于一套三室一廳房子的面積。兩個碩大的太陽帆板一起工作,將有效收集更多的太陽能,每天平均發(fā)電量超過430度,為空間站運行提供充足的能源。放在地面上,這個日發(fā)電量足夠一個北京市普通家庭用一個半月。

空間站在軌建造完成后,天和核心艙的一個太陽帆板將轉(zhuǎn)移到問天實驗艙資源艙的尾部,天和核心艙將“專心致志”地進行空間站管理工作,而問天實驗艙將成為名副其實的“主發(fā)電站”。屆時,問天實驗艙的3條能源母線將發(fā)揮更大的作用,為組合體源源不斷地供電送能。

出艙氣閘更優(yōu)。在問天實驗艙中,氣閘艙的視覺效果十分獨特,外方內(nèi)圓,是空間站系統(tǒng)唯一一個看上去是方形的艙體。里面圓柱狀的,正是航天員開展出艙活動時的更衣間——出艙氣閘。在這里,更衣間空間更大了,航天員做出艙準(zhǔn)備和艙外返回時,可以更舒展、更從容,未來將成為整個空間站系統(tǒng)的主要出艙通道。

出艙氣閘還有一個直徑達1米的大門。航天員從這里進進出出,不僅更加方便,而且還能攜帶大個頭的設(shè)備出艙工作。

出艙氣閘外面,是看上去像方形的外殼。這是艙外暴露實驗平臺,上面配置了22個標(biāo)準(zhǔn)載荷接口,其中一部分還配備了流體回路溫度控制。未來10年,在空間站搭載的科學(xué)實驗載荷,可以通過機械臂精準(zhǔn)“投送”到自己對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)載荷接口位置,“即插即用”,不再需要航天員出艙進行人工操作了。

艙外操作更細。問天實驗艙是空間站系統(tǒng)中艙外活動部件最多的艙體,大量的艙外設(shè)施設(shè)備更好地保障了出艙活動,也為更精細的艙外操作提供了支持。

問天實驗艙將在氣閘艙外攜帶一套5米長的“小臂”。這套7自由度的機械臂小巧、精度高,“小手”方便抓中小型設(shè)備,做更為精細的操作。小臂還可以與核心艙大臂級聯(lián)成15米長的組合臂,開展更多艙外操作。屆時,組合臂能夠在天和、問天、夢天的空間站三艙組合體之間爬行,“機甲戰(zhàn)士”能控制的艙外范圍就更大了。

“四大力士”送問天精準(zhǔn)入軌

執(zhí)行本次發(fā)射任務(wù)的長五B運載火箭,由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術(shù)研究院(以下簡稱火箭院)研制,是我國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭,具備近地軌道25噸的運載能力。作為我國空間站建造工程的“運載專列”,長五B運載火箭主要用于空間站艙段等近地軌道大型航天器發(fā)射任務(wù),于2021年成功發(fā)射天和核心艙,后續(xù)還將承擔(dān)夢天實驗艙的發(fā)射任務(wù)。

身為長征火箭家族中的“大力士”,長五B運載火箭將我國火箭近地軌道的運載能力由8噸提升至25噸。它可不是只有蠻力,其特有的“大推力直接入軌精度控制技術(shù)”,可以讓空間站的艙段安全到達預(yù)定軌道。

“就好比一輛正在高速行駛的汽車,想踩一腳剎車就停到指定位置很難。”長五B運載火箭試驗隊員這樣形容大推力火箭精準(zhǔn)入軌的難度。為此,火箭姿控系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計團隊創(chuàng)新性地采用了“姿態(tài)控制增益優(yōu)化”和“復(fù)合制導(dǎo)”兩種方法,保證了長五B運載火箭入軌精度,連續(xù)3次發(fā)射任務(wù)的高精度入軌都驗證了這個方法的可靠性。

這次發(fā)射的問天實驗艙,是我國迄今為止重量最大、包絡(luò)尺寸最大的一個載荷。不過,這難不倒長五B運載火箭,除了超大推力外,研制團隊在設(shè)計之初就考慮到空間站建造的任務(wù)需求,直徑5.2米、長度20.5米的整流罩足以讓實驗艙在里面舒舒服服的。

據(jù)火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計師王乾介紹:“針對此次任務(wù),在整流罩生產(chǎn)初期,研制團隊采用了三維視覺掃描等技術(shù),對整流罩以及問天實驗艙的尺寸進行了精準(zhǔn)仿真,反復(fù)詳細校核,確認了關(guān)鍵位置的安全間隙,確保在飛行、分離的過程中,實驗艙享有足夠的空間,不會在飛行過程中貼近整流罩?！?/p>

在此次任務(wù)中,長五B運載火箭憑借它強大推力、精準(zhǔn)入軌的優(yōu)異表現(xiàn),成功將重達23噸的問天實驗艙順利送入預(yù)定軌道。成功托舉的背后,合抱在芯級上的“四大力士”——4個3.35米直徑助推器功不可沒。

據(jù)長五B運載火箭副總指揮鮑國苗介紹,中國航天科技集團八院研制的4個助推器,為長五B運載火箭提供了90%以上的起飛推力。每個助推器五臟俱全,相當(dāng)于一枚單級運載火箭。

將以生命科學(xué)為主開展實驗

據(jù)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師呂從民介紹,空間應(yīng)用系統(tǒng)問天實驗艙任務(wù)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)試驗四個領(lǐng)域規(guī)劃部署了十余個研究主題。

為保證上述科學(xué)任務(wù)順利開展,不斷產(chǎn)出科學(xué)成果,空間應(yīng)用系統(tǒng)在問天實驗艙部署了生命生態(tài)實驗柜、生物技術(shù)實驗柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲柜、變重力科學(xué)實驗柜等科學(xué)實驗設(shè)施,配置了艙內(nèi)外應(yīng)用任務(wù)共用支持設(shè)備,聯(lián)合支持科學(xué)項目在軌全任務(wù)鏈實施。

生命生態(tài)實驗柜以多種類型的生物個體(如植物種子、幼苗)為實驗樣品,開展擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等動植物的空間生長實驗,揭示微重力對生物個體生長、發(fā)育、代謝的影響,促進人類對生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解,研究空間輻射生物學(xué)和亞磁生物學(xué)效應(yīng)與機制,探索建立應(yīng)用型受控生命生態(tài)系統(tǒng),為航天員在軌輻射損傷評估、防護提供科學(xué)依據(jù)。

生物技術(shù)實驗柜以組織、細胞和生化分子等不同層次多類別生物樣品為對象,開展細胞組織培養(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)等實驗,探索微重力環(huán)境下細胞生長和分化規(guī)律和機制,為人類健康、生殖發(fā)育提供理論基礎(chǔ)。

科學(xué)手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環(huán)境控制,配置靈巧機械臂具備細胞級精細操作能力;手套箱為航天員操作多學(xué)科實驗樣品提供安全、高效支持。

變重力科學(xué)實驗柜為科學(xué)實驗提供0.01g至2g高精度模擬重力環(huán)境,采用先進的無線傳能和載波通信技術(shù),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)運動等科學(xué)研究。