太空“新居”是這樣建造的

●一博 編

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙模擬圖

2022年7月24日14時(shí)22分，搭載問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭，在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射，約495秒后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道。

7月25日3時(shí)13分，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙組合體在軌完成交會(huì)對(duì)接。這是空間站有航天員在軌駐留期間首次進(jìn)行空間交會(huì)對(duì)接。

7月25日10時(shí)03分，神舟十四號(hào)航天員乘組成功開(kāi)啟問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙艙門(mén)，順利進(jìn)入問(wèn)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(wèn)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。此次發(fā)射前后有哪些動(dòng)人細(xì)節(jié)？中國(guó)太空家園的“新居”有哪些技術(shù)突破？

毫米“計(jì)較”，打造太空“新居”

“問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙是空間站家族里的大塊頭，艙體總長(zhǎng)17.9米，發(fā)射重量達(dá)23噸，是我國(guó)目前最重、尺寸最大的單體飛行器，功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、指標(biāo)先進(jìn)?！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院空間站系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師張昊介紹。

“更大、更強(qiáng)、更全、更優(yōu)、更細(xì)”——為使問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙達(dá)到這樣的目標(biāo)，設(shè)計(jì)研制隊(duì)伍團(tuán)結(jié)攻克了一系列工藝瓶頸，研發(fā)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終得以保證問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙高質(zhì)量交付、成功發(fā)射。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中的工作艙，是我國(guó)目前最大的載人密封航天器艙體，艙段長(zhǎng)度近10米。為了保證艙外安裝載荷的正常工作，艙外72個(gè)設(shè)備支架的接口精度要求非常高。但正是因?yàn)椤皞€(gè)子大”，艙體結(jié)構(gòu)上的精密接口尺寸受溫度的影響也被放大，導(dǎo)致支架裝調(diào)過(guò)程中測(cè)量誤差大。

與此同時(shí)，當(dāng)前大型艙體研制使用的廠房空間大，產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)廠房長(zhǎng)時(shí)間恒定溫度環(huán)境的難度很大。為此，航天科技集團(tuán)五院529廠載人航天領(lǐng)域總師趙長(zhǎng)喜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，巧妙提出了一種虛擬恒溫測(cè)量方法，依靠數(shù)學(xué)矩陣計(jì)算原理，使易受溫度影響的測(cè)量環(huán)節(jié)可靠穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)了支架裝配的高精度，成功為問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙這個(gè)大塊頭雕琢出一個(gè)精準(zhǔn)的外形，保證了問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙艙外載荷的高可靠工作。

氣閘艙是問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙最重要的組成部分之一，是未來(lái)航天員的主要出艙通道。然而要在艙體的柱段上進(jìn)行出艙艙門(mén)焊接，給研制人員出了難題。以往的型號(hào)艙門(mén)處大多為規(guī)則的平面曲線焊縫，焊接厚度僅2毫米，而這個(gè)艙門(mén)焊接的位置在一個(gè)馬鞍形空間曲面上，焊接厚度還增加到5毫米，傳統(tǒng)的手工焊接已無(wú)法滿足要求。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究測(cè)試和大量工藝試驗(yàn)，航天科技集團(tuán)五院的研制人員提出了空間曲線自動(dòng)化焊接新技術(shù)，自主研發(fā)了可柔性變化的焊接工裝，順利完成了密封艙艙門(mén)門(mén)框的焊接，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

精準(zhǔn)護(hù)航，“萬(wàn)無(wú)一失”

中國(guó)空間站由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，這3個(gè)艙段的發(fā)射任務(wù)都由長(zhǎng)五B火箭執(zhí)行。2021年4月29日，長(zhǎng)五B火箭成功發(fā)射天和核心艙，打響了空間站建造的開(kāi)局之戰(zhàn)。一年后，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射，長(zhǎng)五B研制團(tuán)隊(duì)再次執(zhí)“箭”出征。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的4個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)五B火箭副總設(shè)計(jì)師婁路亮說(shuō)，此次長(zhǎng)五B發(fā)射問(wèn)天艙，是我國(guó)大型低溫火箭首次執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，“零窗口”發(fā)射對(duì)火箭的運(yùn)載能力、入軌精度和發(fā)射可靠性都提出了更高要求。圍繞任務(wù)特點(diǎn)，研制團(tuán)隊(duì)用一年時(shí)間完成了30多項(xiàng)全箭飛行可靠性提升工作。

研制團(tuán)隊(duì)首先將各系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣的工作流程由“串聯(lián)”調(diào)整為“并聯(lián)”，為火箭點(diǎn)火前預(yù)留2分30秒的故障處理時(shí)間。然后，在滿足入軌精度的要求下，用“起飛時(shí)間修正技術(shù)”將發(fā)射窗口擴(kuò)寬至2分30秒，即使火箭沒(méi)能完全按照預(yù)定窗口發(fā)射，也能在這個(gè)時(shí)間內(nèi)通過(guò)后期的軌道修正精準(zhǔn)完成入軌和交會(huì)對(duì)接。

團(tuán)隊(duì)還將長(zhǎng)五B火箭的運(yùn)載能力提升至不低于23噸。但大推力火箭精準(zhǔn)入軌的難度也會(huì)變大，這就如同讓一輛正在高速行駛的汽車一腳剎車就停到指定位置。長(zhǎng)五B火箭特有的“大推力直接入軌精度控制技術(shù)”和20.5米超大整流罩，讓空間站的艙段可以安全地到達(dá)預(yù)定軌道。

“就像眼睛不能進(jìn)沙子，一個(gè)小小的多余物就可能對(duì)火箭發(fā)射和對(duì)接造成災(zāi)難性的后果?！焙教炜萍技瘓F(tuán)一院長(zhǎng)五B火箭總體副主任設(shè)計(jì)師劉秉說(shuō)。為了保證問(wèn)天艙成功實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，長(zhǎng)五B團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)溝通、分析論證，嚴(yán)控火箭多余物，盡量減少對(duì)艙體對(duì)接造成的影響。

不懈追問(wèn)，從“天問(wèn)”到“問(wèn)天”

2020年7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭托舉天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器，邁出了探索浩瀚宇宙的重要一步，開(kāi)啟了中國(guó)人的行星探測(cè)時(shí)代。

長(zhǎng)五B火箭與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙組合體

從“天問(wèn)”到“問(wèn)天”，兩次發(fā)射剛好相差兩年零一天。從探索行星到建設(shè)中國(guó)人自己的空間站，兩年間，航天人從未停下前行的腳步，行星探測(cè)工程、探月工程、載人航天工程接連圓夢(mèng)太空，走出一條條“問(wèn)天”之路。

從“天問(wèn)”到“問(wèn)天”，一個(gè)“問(wèn)”字揭示了它們共同的內(nèi)涵——探索和追問(wèn)。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙既是航天員的太空“新居”，也承載著空間科學(xué)研究的重要使命。

作為“國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室”的組成部分，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將主要進(jìn)行生命科學(xué)和生物技術(shù)研究。目前，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙在空間生命科學(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(yàn)4個(gè)領(lǐng)域方向規(guī)劃部署了10余個(gè)研究主題，已立40余項(xiàng)科學(xué)項(xiàng)目。

中科院空間應(yīng)用中心研究員、集成技術(shù)中心副主任張璐介紹，我國(guó)在載人航天“三步走”的第二步時(shí)期，在天宮一號(hào)、天宮二號(hào)開(kāi)展了多種類型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是以單一的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，實(shí)驗(yàn)樣品不具備更換能力和需求。如今，進(jìn)入空間站階段，科研實(shí)驗(yàn)將從單一分散轉(zhuǎn)為大規(guī)模集團(tuán)式，在太空建造一個(gè)真正的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。艙內(nèi)配置的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜就是開(kāi)展多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)的通用基礎(chǔ)平臺(tái)。

未來(lái)，空間站還將開(kāi)展空間生命科學(xué)與人體研究、微重力物理科學(xué)、空間天文與地球科學(xué)、空間新技術(shù)及應(yīng)用4大領(lǐng)域的65個(gè)研究計(jì)劃，包括近千項(xiàng)研究項(xiàng)目。

空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師、中科院空間應(yīng)用中心集成技術(shù)中心主任王珂說(shuō)：“建成空間站只是我國(guó)空間科學(xué)研究的一個(gè)開(kāi)始。后續(xù)，全國(guó)的高校、科研院所和大中小學(xué)生都可以參與到空間站的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)中來(lái)。我們也歡迎全世界的科研人員共同利用我們的平臺(tái)開(kāi)展科學(xué)研究。”