世界观天下！中国空间站首个实验舱——“问天”来了！

中国运载火箭技术研究院总体设计部 钱航

7月24日下午（具体发射以最终发射时间为准），在海南文昌航天发射场长征五号B遥三运载火箭顺利将问天实验舱发射至预定轨道。随后问天实验舱采用快速交会对接的方式与空间站天和核心舱对接形成组合体，整个过程大约6.5小时，这是空间站首次在有人的状态下迎接航天器的来访。

(资料图)

根据中国载人航天工程办公室介绍，2022年实施6次飞行任务，完成我国空间站在轨建造。6次任务分别为：5月发射天舟四号货运飞船；6月发射神舟十四号载人飞船，3名航天员进驻核心舱并在轨驻留6个月；7月发射空间站问天实验舱，与天和核心舱对接；10月发射梦天实验舱与核心舱对接，之后空间站三舱形成“T”字基本构型，完成中国空间站在轨建造；随后将发射天舟五号货运飞船和神舟十五号载人飞船，神舟十五号飞行乘组由3名航天员组成，与神舟十四号航天员在轨轮换后，在轨驻留6个月。

在此之前，5月10日，天舟四号货运飞船在文昌发射场成功发射，2022年中国空间站在轨建造任务首战告捷；6月5日，神舟十四号载人飞船在酒泉发射场成功发射，航天员乘组陈冬、刘洋、蔡旭哲正式开启6个月的太空之旅。

随着问天实验舱对接到位，航天员使用专用扳手打开实验舱闸门，启动舱内生命维持系统，完成科学实验柜的组装，并开展交叉科学实验。此外，问天实验舱还有一大看点，就是太空授课。上一次太空授课是在天和核心舱内开展，主讲老师是王亚平，这次转移到问天实验舱，全新的太空课堂同样十分精彩。

舱段基本情况

天宫空间站以三舱构成完整系统统一设计，各舱段的基本情况分别如下。

（1）问天实验舱

问天实验舱包括工作舱、气闸舱、资源舱三部分，舱体轴向长度为17.9米，舱体最大直径4.2米，如图所示。配置小机械臂，在气闸舱和资源舱外布设舱外实验平台，用于安装舱外实（试）验载荷。尾部采用桁架结构，安装双自由度太阳池翼及其驱动机构。问天实验舱主要任务是在轨完成与天和核心舱交会对接、舱段转位和停泊，并作为天和核心舱能源管理系统、信息管理系统、控制系统和载人环境系统等关键平台功能的备份，具备对组合体进行统一管理与控制的能力。保障航天员在轨长期驻留，提供专用气闸舱和应急避难场所，保证航天员安全。为开展密封舱内和舱外空间科学实验和技术试验提供保障条件。

问天实验舱主要面向空间生命科学研究，配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜，能够支持开展多种类植物、动物、微生物等在空间条件下的生长、发育、遗传、衰老等响应机理研究，以及密闭生态系统的实验研究，并通过可见光、荧光、显微成像等多种在线检测手段，支持分子、细胞、组织、器官等多层次生物实验研究，还支持开展不同重力条件下生物体生长机理的对比研究。

计划在2028年发射的高能宇宙辐射探测（HERD）模块将安装在问天实验舱，开展“新型空间高能辐射探测”的重要科学问题研究。项目围绕搭载在中国空间站上的未来高能宇宙辐射探测设施（HERD）实验，面向新一代更高性能、国际领先的空间暗物质粒子、宇宙线和伽马射线的探测需求，开展关键科学问题实验。

问天实验舱结构

（2）天和核心舱

2021年4月29日在海南文昌发射场，长征五号B遥二运载火箭成功将空间站天和核心舱送入预定轨道，中国空间站在轨组装建造全面展开。天和核心舱包括节点舱、生活控制舱（含小柱段、大柱段和后端通道）及资源舱三部分，轴向总长16.6米，最大直径4.2米，如图所示。节点舱用于舱段连接和飞行器访问，提供1个前向对接口、1个径向对接口和2个侧向停泊口，兼做航天员出舱活动气闸舱，上方设置出舱活动口。生活控制舱小柱段内设置航天员睡眠区和卫生区，舱外配置大机械臂，两侧安装单自由度太阳电池翼及其驱动机构。资源舱后端配置对接口和物资补给通道。

天和核心舱主要任务是空间站平台的统一管理和控制，并作为目标飞行器支持来访飞行器交会对接、转位与停泊。天和核心舱在载人飞船和货运飞船的支持下，支持乘组长期驻留，为航天员在轨工作和生活提供保障条件，保证航天员安全。提供出舱活动气闸功能，支持航天员出舱，支持开展密封舱内空间科学实验和技术试验。

天和核心舱结构

（3）梦天实验舱

10月即将发射的梦天实验舱包括工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱四部分，舱体轴向长度为17.9米，最大直径4.2米，如图所示。载荷舱外设置展开式载荷实验平台，发射后在轨展开，资源舱与问天实验舱基本相同。梦天实验舱主要任务是在轨完成与天和核心舱交会对接、舱段转位和停泊，为航天员在密封舱内工作提供保障条件，保证航天员安全。为开展舱内及舱外空间实（试）验提供保障条件，提供货物气闸，实现载荷与设备自动进出舱。

梦天实验舱结构

组装建造过程

天宫空间站三舱基本构型采用空间交会对接和在轨舱段转位的方式完成建造，如图所示，组装建造过程如下：

第一步：发射天和核心舱，进行空间站组装建造关键技术在轨验证；

第二步：发射问天实验舱，与天和核心舱前向对接口交会对接，形成“一”字形两舱组合体；

第三步：在梦天实验舱发射前，将问天实验舱由天和核心舱前向对接口在轨转位至右侧停泊口，形成L形两舱组合体；

第四步：发射梦天实验舱，与天和核心舱前向对接口交会对接，形成“卜”字形三舱组合体；

第五步：将梦天实验舱由天和核心舱前向对接口在轨转位至左侧停泊口，形成T形三舱组合体，完成天宫空间站基本构型建造。

中国空间站在轨组装过程（图源：中国载人航天工程办公室）

空间站的“手臂”

在空间机械臂技术方面，天宫空间站分别在天和核心舱和问天实验舱配置大小两个机械臂来完成相应的在轨操作任务，大机械臂实现大范围转移和大负载操作，小机械臂实现高精度操作，下图为大机械臂在轨飞行状态图像。大小机械臂可通过在轨级联组合使用，提升操作范围和精确度，相较国际空间站主要采用单一机械臂进行在轨操作的设计，具有更大的任务灵活性。

核心舱机械臂

天宫空间站机械臂看起来就是两段“棍子”，但它不仅能辅助航天员出舱活动，在空间站建造运行过程中也发挥着重要作用。它是一种非常精密和先进的空间机器人，集机械、电子、热控以及视觉和动力等多个领域于一身。空间站机械臂既要拖动大质量的载荷，又要保证高控制精度，还要具备视觉识别能力甚至自主分析能力。中国航天以前从没有研制过这种类型的航天器产品，因此难度特别大，空间站机械臂的新技术比例超过80%，好在航天设计师们迎难而上，最终研制出我们自己的大型高性能机械臂。

核心舱机械臂主要用于完成重型舱段和载荷的搬运拖带，以及大范围转移等任务，可以实现空间站舱段的转位和辅助对接，航天器的捕获和辅助对接，以及拖动航天员辅助舱外活动等功能。核心舱机械臂质量约738千克，长度约10.2米，作为一种7自由度空间站机械臂，最多可以拖动25吨的东西，能够完美模拟人体胳膊的活动能力，是当之无愧的太空“大臂”。它还有重定位能力，形象地说就是能头尾互换地进行“爬行”，和尺蠖蠕动爬行十分相似。空间站核心舱和实验舱上都装有电力数据适配器，在它们的配合帮助下机械臂可以在3个核心舱段之间灵活移动，大大扩展了任务灵活性和活动范围。

问天实验舱上也有一个小型机械臂，是一种7自由度机械臂，它长度约5米，最大负荷能力可达3吨，其拖动能力虽然远逊核心舱机械臂，但它主要用于照料实验舱的舱外实验设施，设计上姿态和位置精度更高，可以执行更灵巧的操作。

机械臂转位实验舱

空间站舱段运输专列

长征五号B运载火箭是在长征五号基础上，为满足我国载人空间站工程需求，即发射空间站核心舱和实验舱，按“通用化、系列化、组合化”设计思想研制的一款新型大型运载火箭。火箭全长约53.7米，构型上采用一级半构型，由直径5米的芯一级+4个直径3.35米的助推器+舱罩组合体组成，其采用的少级数设计理念和箭地接口的零秒连接器等技术，有效提升了火箭的固有可靠性和安全性；整流罩长20.5米、直径5.2米，是我国目前有效载荷容积最大的火箭整流罩，能更好地满足空间站舱段发射任务需要；采用无毒无污染的液氧、液氢和煤油作为推进剂，起飞重量约849吨，近地轨道运载能力大于22吨，是目前我国近地轨道运载能力最大的运载火箭。

作为空间站舱段运输专列——“大火箭”长五B掌握了很多独门“武功”：

低温火箭“零窗口”发射技术

作为未来发射空间站核心舱和实验舱的火箭，空间站交会对接任务对长征五号B提出了“零窗口”发射的需求，发射时间精度误差要控制在1秒以内。

为了做到“零窗口”发射，火箭各系统要确保在点火前一段时间就完成各项准备，以准备好的状态等待点火。由于低温推进剂加注后会不停的“蒸发”消耗，因此，发射准备好的状态并不是越早越好，而是要严格按照时间要求精准的完成。

研制团队从系统发射可靠性提升和发射流程优化两个方面开展了工作。通过开展可靠性试验和分析工作，实现了关键系统可靠性提升；通过射前流程优化，进一步提高了各系统对于“零窗口”发射的适应性。

（2）“一级半”大推力直接入轨技术

长五B不仅运载能力出色，而且还是目前世界上唯一可以直接入轨的火箭。一般而言，发射低轨任务都需要两级半火箭接力工作，一级扔掉之后，二级再接力工作才能把它送到轨道上去。然而，长五B运载火箭通过采用全新构型设计，实现了一级半就能直接进入预定轨道的世界航天难题。

在火箭点火之后，依靠更先进的制导技术，不断调整火箭弹道，直奔目标而去。就好比篮球投出去之后，自己能按照篮筐位置、球场风速、气流和温度等的变化，不断修正自己的前进轨迹，直奔篮筐而去。其实，这在原理上有点像汽车的自动驾驶技术，只是，长五B这辆“汽车”，重达数百吨、时速不可估量，要做到“自动驾驶”可不容易。长五B火箭创新运用姿态控制增益优化和复合制导方法，从而提高了火箭姿态控制精度。

（3）最大整流罩设计技术

“娇贵”的空间站舱段就在长五B火箭最顶端的整流罩里边，从地面到太空的飞行过程中将承受非常恶劣的热学环境、力学环境和噪声环境，因此空间站舱段就需要依靠整流罩的保护。而且，这些空间站舱段不仅“身体”特别重，“个头”也特别大，长五B运载火箭的整流罩部分是中国迄今为止研制的最大尺寸整流罩，直径超过5米、高度超过20米，相当于六七层楼的高度，规模较基本型增大了近1倍，可以对核心舱、实验舱以及光学舱提供周全的保护。

整流罩的规模增大后，为了保证运载效率，结构的刚度会随之减少，而刚度是影响分离能源设计、分离包络设计的关键要素，如何准确模拟飞行及分离过程中整流罩的刚度特性，确保安全、可靠分离是研制过程中所面临的技术难题。

为此，在技术攻关过程中，研制团队基于显式动力学方法进行了仿真分析，首次计算出分离过程中的能量占比关系，并通过三次大型整流罩地面分离试验对方案进行验证，为分离系统的优化设计提供了基础。

天和核心舱与问天实验舱

（4）大直径舱箭分离技术

当长五B火箭把空间站舱段送到预定位置后，舱段就需要与火箭分离，也就是“到站下车”，要让十数吨重的空间站舱段安全“下车”绝非易事。就好比在两辆高速行驶的高铁上，传递婴儿一样，既要确保安全分离、顺利交接，又要将过程中出现的冲击环境降到最低，以免“磕碰”到婴儿。要知道，空间站舱段和长五B火箭的连接接口直径超过4米，任何一个地方稍稍“较点劲”都有可能“撞出内伤”。为此，研制团队围绕降低和改善冲击环境开展了专题攻关，采用了“隔冲框＋阻尼盒”的降冲击方案，并应用“颗粒阻尼技术”，实现减振降噪的效果。

长征五号B火箭起飞

后续，我国还会发射梦天实验舱、天舟五号货运飞船和神舟十五号载人飞船。在建设空间站的目标中，发射问天实验舱的任务是实现该战略目标重要的一步，也为后续任务起到了承上启下作用。

【来源：九派新闻】