中國運載火箭技術研究院總體設計部 錢航

7月24日下午（具體發射以最終發射時間為準），在海南文昌航天發射場長征五號B遙三運載火箭順利將問天實驗艙發射至預定軌道。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下迎接航天器的來訪。

(資料圖)

根據中國載人航天工程辦公室介紹，2022年實施6次飛行任務，完成我國空間站在軌建造。6次任務分別為：5月發射天舟四號貨運飛船；6月發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月發射空間站問天實驗艙，與天和核心艙對接；10月發射夢天實驗艙與核心艙對接，之后空間站三艙形成“T”字基本構型，完成中國空間站在軌建造；隨后將發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射場成功發射，2022年中國空間站在軌建造任務首戰告捷；6月5日，神舟十四號載人飛船在酒泉發射場成功發射，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，啟動艙內生命維持系統，完成科學實驗柜的組裝，并開展交叉科學實驗。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開展，主講老師是王亞平，這次轉移到問天實驗艙，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成完整系統統一設計，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艙外實驗平臺，用于安裝艙外實（試）驗載荷。尾部采用桁架結構，安裝雙自由度太陽池翼及其驅動機構。問天實驗艙主要任務是在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉位和停泊，并作為天和核心艙能源管理系統、信息管理系統、控制系統和載人環境系統等關鍵平臺功能的備份，具備對組合體進行統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急避難場所，保證航天員安全。為開展密封艙內和艙外空間科學實驗和技術試驗提供保障條件。

問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗柜，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、發育、遺傳、衰老等響應機理研究，以及密閉生態系統的實驗研究，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施（HERD）實驗，面向新一代更高性能、國際領先的空間暗物質粒子、宇宙線和伽馬射線的探測需求，開展關鍵科學問題實驗。

問天實驗艙結構

（2）天和核心艙

2021年4月29日在海南文昌發射場，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。節點艙用于艙段連接和飛行器訪問，提供1個前向對接口、1個徑向對接口和2個側向停泊口，兼做航天員出艙活動氣閘艙，上方設置出艙活動口。生活控制艙小柱段內設置航天員睡眠區和衛生區，艙外配置大機械臂，兩側安裝單自由度太陽電池翼及其驅動機構。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是空間站平臺的統一管理和控制，并作為目標飛行器支持來訪飛行器交會對接、轉位與停泊。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，支持開展密封艙內空間科學實驗和技術試驗。

天和核心艙結構

（3）夢天實驗艙

10月即將發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。載荷艙外設置展開式載荷實驗平臺，發射后在軌展開，資源艙與問天實驗艙基本相同。夢天實驗艙主要任務是在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉位和停泊，為航天員在密封艙內工作提供保障條件，保證航天員安全。為開展艙內及艙外空間實（試）驗提供保障條件，提供貨物氣閘，實現載荷與設備自動進出艙。

夢天實驗艙結構

組裝建造過程

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

第一步：發射天和核心艙，進行空間站組裝建造關鍵技術在軌驗證；

第二步：發射問天實驗艙，與天和核心艙前向對接口交會對接，形成“一”字形兩艙組合體；

第三步：在夢天實驗艙發射前，將問天實驗艙由天和核心艙前向對接口在軌轉位至右側停泊口，形成L形兩艙組合體；

第四步：發射夢天實驗艙，與天和核心艙前向對接口交會對接，形成“卜”字形三艙組合體；

第五步：將夢天實驗艙由天和核心艙前向對接口在軌轉位至左側停泊口，形成T形三艙組合體，完成天宮空間站基本構型建造。

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的在軌操作任務，大機械臂實現大范圍轉移和大負載操作，小機械臂實現高精度操作，下圖為大機械臂在軌飛行狀態圖像。大小機械臂可通過在軌級聯組合使用，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計，具有更大的任務靈活性。

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域于一身。空間站機械臂既要拖動大質量的載荷，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品，因此難度特別大，空間站機械臂的新技術比例超過80%，好在航天設計師們迎難而上，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，以及大范圍轉移等任務，可以實現空間站艙段的轉位和輔助對接，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。空間站核心艙和實驗艙上都裝有電力數據適配器，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，最大負荷能力可達3噸，其拖動能力雖然遠遜核心艙機械臂，但它主要用于照料實驗艙的艙外實驗設施，設計上姿態和位置精度更高，可以執行更靈巧的操作。

機械臂轉位實驗艙

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上，為滿足我國載人空間站工程需求，即發射空間站核心艙和實驗艙，按“通用化、系列化、組合化”設計思想研制的一款新型大型運載火箭。火箭全長約53.7米，構型上采用一級半構型，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，其采用的少級數設計理念和箭地接口的零秒連接器等技術，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射任務需要；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”發射技術

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

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

研制團隊從系統發射可靠性提升和發射流程優化兩個方面開展了工作。通過開展可靠性試驗和分析工作，實現了關鍵系統可靠性提升；通過射前流程優化，進一步提高了各系統對于“零窗口”發射的適應性。

（2）“一級半”大推力直接入軌技術

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，發射低軌任務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型設計，實現了一級半就能直接進入預定軌道的世界航天難題。

在火箭點火之后，依靠更先進的制導技術，不斷調整火箭彈道，直奔目標而去。就好比籃球投出去之后，自己能按照籃筐位置、球場風速、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，只是，長五B這輛“汽車”，重達數百噸、時速不可估量，要做到“自動駕駛”可不容易。長五B火箭創新運用姿態控制增益優化和復合制導方法，從而提高了火箭姿態控制精度。

（3）最大整流罩設計技術

“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環境、力學環境和噪聲環境，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，相當于六七層樓的高度，規模較基本型增大了近1倍，可以對核心艙、實驗艙以及光學艙提供周全的保護。

整流罩的規模增大后，為了保證運載效率，結構的剛度會隨之減少，而剛度是影響分離能源設計、分離包絡設計的關鍵要素，如何準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難題。

為此，在技術攻關過程中，研制團隊基于顯式動力學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，為分離系統的優化設計提供了基礎。

天和核心艙與問天實驗艙

（4）大直徑艙箭分離技術

當長五B火箭把空間站艙段送到預定位置后，艙段就需要與火箭分離，也就是“到站下車”，要讓十數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，又要將過程中出現的沖擊環境降到最低，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“撞出內傷”。為此，研制團隊圍繞降低和改善沖擊環境開展了專題攻關，采用了“隔沖框＋阻尼盒”的降沖擊方案，并應用“顆粒阻尼技術”，實現減振降噪的效果。

長征五號B火箭起飛

后續，我國還會發射夢天實驗艙、天舟五號貨運飛船和神舟十五號載人飛船。在建設空間站的目標中，發射問天實驗艙的任務是實現該戰略目標重要的一步，也為后續任務起到了承上啟下作用。

【來源：九派新聞】