中國運載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計部 錢航

7月24日下午（具體發(fā)射以最終發(fā)射時間為準(zhǔn)），在海南文昌航天發(fā)射場長征五號B遙三運載火箭順利將問天實驗艙發(fā)射至預(yù)定軌道。隨后問天實驗艙采用快速交會對接的方式與空間站天和核心艙對接形成組合體，整個過程大約6.5小時，這是空間站首次在有人的狀態(tài)下迎接航天器的來訪。

(資料圖)

根據(jù)中國載人航天工程辦公室介紹，2022年實施6次飛行任務(wù)，完成我國空間站在軌建造。6次任務(wù)分別為：5月發(fā)射天舟四號貨運飛船；6月發(fā)射神舟十四號載人飛船，3名航天員進駐核心艙并在軌駐留6個月；7月發(fā)射空間站問天實驗艙，與天和核心艙對接；10月發(fā)射夢天實驗艙與核心艙對接，之后空間站三艙形成“T”字基本構(gòu)型，完成中國空間站在軌建造；隨后將發(fā)射天舟五號貨運飛船和神舟十五號載人飛船，神舟十五號飛行乘組由3名航天員組成，與神舟十四號航天員在軌輪換后，在軌駐留6個月。

在此之前，5月10日，天舟四號貨運飛船在文昌發(fā)射場成功發(fā)射，2022年中國空間站在軌建造任務(wù)首戰(zhàn)告捷；6月5日，神舟十四號載人飛船在酒泉發(fā)射場成功發(fā)射，航天員乘組陳冬、劉洋、蔡旭哲正式開啟6個月的太空之旅。

隨著問天實驗艙對接到位，航天員使用專用扳手打開實驗艙閘門，啟動艙內(nèi)生命維持系統(tǒng)，完成科學(xué)實驗柜的組裝，并開展交叉科學(xué)實驗。此外，問天實驗艙還有一大看點，就是太空授課。上一次太空授課是在天和核心艙內(nèi)開展，主講老師是王亞平，這次轉(zhuǎn)移到問天實驗艙，全新的太空課堂同樣十分精彩。

艙段基本情況

天宮空間站以三艙構(gòu)成完整系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計，各艙段的基本情況分別如下。

（1）問天實驗艙

問天實驗艙包括工作艙、氣閘艙、資源艙三部分，艙體軸向長度為17.9米，艙體最大直徑4.2米，如圖所示。配置小機械臂，在氣閘艙和資源艙外布設(shè)艙外實驗平臺，用于安裝艙外實（試）驗載荷。尾部采用桁架結(jié)構(gòu)，安裝雙自由度太陽池翼及其驅(qū)動機構(gòu)。問天實驗艙主要任務(wù)是在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉(zhuǎn)位和停泊，并作為天和核心艙能源管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境系統(tǒng)等關(guān)鍵平臺功能的備份，具備對組合體進行統(tǒng)一管理與控制的能力。保障航天員在軌長期駐留，提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所，保證航天員安全。為開展密封艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗提供保障條件。

問天實驗艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實驗柜，能夠支持開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機理研究，以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實驗研究，并通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，還支持開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究。

計劃在2028年發(fā)射的高能宇宙輻射探測（HERD）模塊將安裝在問天實驗艙，開展“新型空間高能輻射探測”的重要科學(xué)問題研究。項目圍繞搭載在中國空間站上的未來高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD）實驗，面向新一代更高性能、國際領(lǐng)先的空間暗物質(zhì)粒子、宇宙線和伽馬射線的探測需求，開展關(guān)鍵科學(xué)問題實驗。

問天實驗艙結(jié)構(gòu)

（2）天和核心艙

2021年4月29日在海南文昌發(fā)射場，長征五號B遙二運載火箭成功將空間站天和核心艙送入預(yù)定軌道，中國空間站在軌組裝建造全面展開。天和核心艙包括節(jié)點艙、生活控制艙（含小柱段、大柱段和后端通道）及資源艙三部分，軸向總長16.6米，最大直徑4.2米，如圖所示。節(jié)點艙用于艙段連接和飛行器訪問，提供1個前向?qū)涌凇?個徑向?qū)涌诤?個側(cè)向停泊口，兼做航天員出艙活動氣閘艙，上方設(shè)置出艙活動口。生活控制艙小柱段內(nèi)設(shè)置航天員睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，艙外配置大機械臂，兩側(cè)安裝單自由度太陽電池翼及其驅(qū)動機構(gòu)。資源艙后端配置對接口和物資補給通道。

天和核心艙主要任務(wù)是空間站平臺的統(tǒng)一管理和控制，并作為目標(biāo)飛行器支持來訪飛行器交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊。天和核心艙在載人飛船和貨運飛船的支持下，支持乘組長期駐留，為航天員在軌工作和生活提供保障條件，保證航天員安全。提供出艙活動氣閘功能，支持航天員出艙，支持開展密封艙內(nèi)空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗。

天和核心艙結(jié)構(gòu)

（3）夢天實驗艙

10月即將發(fā)射的夢天實驗艙包括工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙四部分，艙體軸向長度為17.9米，最大直徑4.2米，如圖所示。載荷艙外設(shè)置展開式載荷實驗平臺，發(fā)射后在軌展開，資源艙與問天實驗艙基本相同。夢天實驗艙主要任務(wù)是在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉(zhuǎn)位和停泊，為航天員在密封艙內(nèi)工作提供保障條件，保證航天員安全。為開展艙內(nèi)及艙外空間實（試）驗提供保障條件，提供貨物氣閘，實現(xiàn)載荷與設(shè)備自動進出艙。

夢天實驗艙結(jié)構(gòu)

組裝建造過程

天宮空間站三艙基本構(gòu)型采用空間交會對接和在軌艙段轉(zhuǎn)位的方式完成建造，如圖所示，組裝建造過程如下：

第一步：發(fā)射天和核心艙，進行空間站組裝建造關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證；

第二步：發(fā)射問天實驗艙，與天和核心艙前向?qū)涌诮粫樱纬伞耙弧弊中蝺膳摻M合體；

第三步：在夢天實驗艙發(fā)射前，將問天實驗艙由天和核心艙前向?qū)涌谠谲夀D(zhuǎn)位至右側(cè)停泊口，形成L形兩艙組合體；

第四步：發(fā)射夢天實驗艙，與天和核心艙前向?qū)涌诮粫樱纬伞安贰弊中稳摻M合體；

第五步：將夢天實驗艙由天和核心艙前向?qū)涌谠谲夀D(zhuǎn)位至左側(cè)停泊口，形成T形三艙組合體，完成天宮空間站基本構(gòu)型建造。

中國空間站在軌組裝過程（圖源：中國載人航天工程辦公室）

空間站的“手臂”

在空間機械臂技術(shù)方面，天宮空間站分別在天和核心艙和問天實驗艙配置大小兩個機械臂來完成相應(yīng)的在軌操作任務(wù)，大機械臂實現(xiàn)大范圍轉(zhuǎn)移和大負(fù)載操作，小機械臂實現(xiàn)高精度操作，下圖為大機械臂在軌飛行狀態(tài)圖像。大小機械臂可通過在軌級聯(lián)組合使用，提升操作范圍和精確度，相較國際空間站主要采用單一機械臂進行在軌操作的設(shè)計，具有更大的任務(wù)靈活性。

核心艙機械臂

天宮空間站機械臂看起來就是兩段“棍子”，但它不僅能輔助航天員出艙活動，在空間站建造運行過程中也發(fā)揮著重要作用。它是一種非常精密和先進的空間機器人，集機械、電子、熱控以及視覺和動力等多個領(lǐng)域于一身?？臻g站機械臂既要拖動大質(zhì)量的載荷，又要保證高控制精度，還要具備視覺識別能力甚至自主分析能力。中國航天以前從沒有研制過這種類型的航天器產(chǎn)品，因此難度特別大，空間站機械臂的新技術(shù)比例超過80%，好在航天設(shè)計師們迎難而上，最終研制出我們自己的大型高性能機械臂。

核心艙機械臂主要用于完成重型艙段和載荷的搬運拖帶，以及大范圍轉(zhuǎn)移等任務(wù)，可以實現(xiàn)空間站艙段的轉(zhuǎn)位和輔助對接，航天器的捕獲和輔助對接，以及拖動航天員輔助艙外活動等功能。核心艙機械臂質(zhì)量約738千克，長度約10.2米，作為一種7自由度空間站機械臂，最多可以拖動25噸的東西，能夠完美模擬人體胳膊的活動能力，是當(dāng)之無愧的太空“大臂”。它還有重定位能力，形象地說就是能頭尾互換地進行“爬行”，和尺蠖蠕動爬行十分相似?？臻g站核心艙和實驗艙上都裝有電力數(shù)據(jù)適配器，在它們的配合幫助下機械臂可以在3個核心艙段之間靈活移動，大大擴展了任務(wù)靈活性和活動范圍。

問天實驗艙上也有一個小型機械臂，是一種7自由度機械臂，它長度約5米，最大負(fù)荷能力可達3噸，其拖動能力雖然遠(yuǎn)遜核心艙機械臂，但它主要用于照料實驗艙的艙外實驗設(shè)施，設(shè)計上姿態(tài)和位置精度更高，可以執(zhí)行更靈巧的操作。

機械臂轉(zhuǎn)位實驗艙

空間站艙段運輸專列

長征五號B運載火箭是在長征五號基礎(chǔ)上，為滿足我國載人空間站工程需求，即發(fā)射空間站核心艙和實驗艙，按“通用化、系列化、組合化”設(shè)計思想研制的一款新型大型運載火箭?；鸺L約53.7米，構(gòu)型上采用一級半構(gòu)型，由直徑5米的芯一級+4個直徑3.35米的助推器+艙罩組合體組成，其采用的少級數(shù)設(shè)計理念和箭地接口的零秒連接器等技術(shù)，有效提升了火箭的固有可靠性和安全性；整流罩長20.5米、直徑5.2米，是我國目前有效載荷容積最大的火箭整流罩，能更好地滿足空間站艙段發(fā)射任務(wù)需要；采用無毒無污染的液氧、液氫和煤油作為推進劑，起飛重量約849噸，近地軌道運載能力大于22噸，是目前我國近地軌道運載能力最大的運載火箭。

作為空間站艙段運輸專列——“大火箭”長五B掌握了很多獨門“武功”：

低溫火箭“零窗口”發(fā)射技術(shù)

作為未來發(fā)射空間站核心艙和實驗艙的火箭，空間站交會對接任務(wù)對長征五號B提出了“零窗口”發(fā)射的需求，發(fā)射時間精度誤差要控制在1秒以內(nèi)。

為了做到“零窗口”發(fā)射，火箭各系統(tǒng)要確保在點火前一段時間就完成各項準(zhǔn)備，以準(zhǔn)備好的狀態(tài)等待點火。由于低溫推進劑加注后會不停的“蒸發(fā)”消耗，因此，發(fā)射準(zhǔn)備好的狀態(tài)并不是越早越好，而是要嚴(yán)格按照時間要求精準(zhǔn)的完成。

研制團隊從系統(tǒng)發(fā)射可靠性提升和發(fā)射流程優(yōu)化兩個方面開展了工作。通過開展可靠性試驗和分析工作，實現(xiàn)了關(guān)鍵系統(tǒng)可靠性提升；通過射前流程優(yōu)化，進一步提高了各系統(tǒng)對于“零窗口”發(fā)射的適應(yīng)性。

（2）“一級半”大推力直接入軌技術(shù)

長五B不僅運載能力出色，而且還是目前世界上唯一可以直接入軌的火箭。一般而言，發(fā)射低軌任務(wù)都需要兩級半火箭接力工作，一級扔掉之后，二級再接力工作才能把它送到軌道上去。然而，長五B運載火箭通過采用全新構(gòu)型設(shè)計，實現(xiàn)了一級半就能直接進入預(yù)定軌道的世界航天難題。

在火箭點火之后，依靠更先進的制導(dǎo)技術(shù)，不斷調(diào)整火箭彈道，直奔目標(biāo)而去。就好比籃球投出去之后，自己能按照籃筐位置、球場風(fēng)速、氣流和溫度等的變化，不斷修正自己的前進軌跡，直奔籃筐而去。其實，這在原理上有點像汽車的自動駕駛技術(shù)，只是，長五B這輛“汽車”，重達數(shù)百噸、時速不可估量，要做到“自動駕駛”可不容易。長五B火箭創(chuàng)新運用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復(fù)合制導(dǎo)方法，從而提高了火箭姿態(tài)控制精度。

（3）最大整流罩設(shè)計技術(shù)

“嬌貴”的空間站艙段就在長五B火箭最頂端的整流罩里邊，從地面到太空的飛行過程中將承受非常惡劣的熱學(xué)環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和噪聲環(huán)境，因此空間站艙段就需要依靠整流罩的保護。而且，這些空間站艙段不僅“身體”特別重，“個頭”也特別大，長五B運載火箭的整流罩部分是中國迄今為止研制的最大尺寸整流罩，直徑超過5米、高度超過20米，相當(dāng)于六七層樓的高度，規(guī)模較基本型增大了近1倍，可以對核心艙、實驗艙以及光學(xué)艙提供周全的保護。

整流罩的規(guī)模增大后，為了保證運載效率，結(jié)構(gòu)的剛度會隨之減少，而剛度是影響分離能源設(shè)計、分離包絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵要素，如何準(zhǔn)確模擬飛行及分離過程中整流罩的剛度特性，確保安全、可靠分離是研制過程中所面臨的技術(shù)難題。

為此，在技術(shù)攻關(guān)過程中，研制團隊基于顯式動力學(xué)方法進行了仿真分析，首次計算出分離過程中的能量占比關(guān)系，并通過三次大型整流罩地面分離試驗對方案進行驗證，為分離系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

天和核心艙與問天實驗艙

（4）大直徑艙箭分離技術(shù)

當(dāng)長五B火箭把空間站艙段送到預(yù)定位置后，艙段就需要與火箭分離，也就是“到站下車”，要讓十?dāng)?shù)噸重的空間站艙段安全“下車”絕非易事。就好比在兩輛高速行駛的高鐵上，傳遞嬰兒一樣，既要確保安全分離、順利交接，又要將過程中出現(xiàn)的沖擊環(huán)境降到最低，以免“磕碰”到嬰兒。要知道，空間站艙段和長五B火箭的連接接口直徑超過4米，任何一個地方稍稍“較點勁”都有可能“撞出內(nèi)傷”。為此，研制團隊圍繞降低和改善沖擊環(huán)境開展了專題攻關(guān)，采用了“隔沖框＋阻尼盒”的降沖擊方案，并應(yīng)用“顆粒阻尼技術(shù)”，實現(xiàn)減振降噪的效果。

長征五號B火箭起飛

后續(xù)，我國還會發(fā)射夢天實驗艙、天舟五號貨運飛船和神舟十五號載人飛船。在建設(shè)空間站的目標(biāo)中，發(fā)射問天實驗艙的任務(wù)是實現(xiàn)該戰(zhàn)略目標(biāo)重要的一步，也為后續(xù)任務(wù)起到了承上啟下作用。

【來源：九派新聞】