夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙背后的高科技

楊陽(yáng)

2022年10月31日，中國(guó)空間站第三個(gè)艙段夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙在文昌航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射，順利進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。11月1日，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙成功對(duì)接，后續(xù)，通過(guò)對(duì)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙實(shí)施水平轉(zhuǎn)位，三艙將形成平衡對(duì)稱的“T”字構(gòu)型，中國(guó)空間站三個(gè)艙段共同見(jiàn)證歷史性的“合體”時(shí)刻。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙是中國(guó)空間站三大艙段中的最后一個(gè)艙段，它長(zhǎng)17.88米，最大直徑為4.2米，重量約23噸。它與天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的任務(wù)分工和定位有何異同？夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙有何獨(dú)特之處？其背后有哪些高科技？

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的任務(wù)分工和定位不同，與后兩者在配置上既有相似之處，又各有特點(diǎn)。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的定位是航天員工作的地方，因此沒(méi)有配置類似天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的再生生保系統(tǒng)以及睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)，但三個(gè)艙段均配置了航天員的鍛煉設(shè)備。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙配置的是抗阻鍛煉設(shè)備，類似健身房的劃船機(jī)。

從總體構(gòu)型來(lái)看，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的“肚子”更圓，它由四個(gè)艙段組成，并采用了獨(dú)特的“套娃”設(shè)計(jì)。工作艙在最前端，通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)與核心艙相連，主要用于航天員艙內(nèi)工作與鍛煉，艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜也安裝在這里。載荷艙與貨物氣閘艙則是以“雙艙嵌套”的形式與工作艙相連。也就是說(shuō)，在載荷艙的內(nèi)部，隱藏著一個(gè)貨物氣閘艙，是貨物出艙專用通道。最前端的是資源艙，也是對(duì)日定向裝置和柔性太陽(yáng)翼等安裝的地方。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙作為“工作室”，是三艙中支持載荷能力最強(qiáng)的艙段，其配置了13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜，主要面向微重力科學(xué)研究，可支持流體物理、材料科學(xué)、超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，堪稱天宮“夢(mèng)工場(chǎng)”。同時(shí)，為了最大化實(shí)現(xiàn)艙外實(shí)驗(yàn)支持能力，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙艙外配置了37個(gè)載荷安裝工位，可為各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷提供機(jī)、電、信息方面的能力支持，確保它們?cè)谔窄h(huán)境下開(kāi)展各類實(shí)驗(yàn)。特別是載荷艙上有兩塊可在軌展開(kāi)的暴露載荷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步增強(qiáng)了空間站的載荷支持能力。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)安裝有空間科學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜等7個(gè)方面的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。其中，高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜。高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由地面測(cè)試評(píng)估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)以及空間載荷部分組成。其中，空間載荷部分主要包括主動(dòng)型氫原子鐘等11個(gè)子系統(tǒng)。主動(dòng)型氫原子鐘是高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的核心載荷， 為空間時(shí)間頻率系統(tǒng)提供基礎(chǔ)時(shí)間頻率信號(hào)，同時(shí)為小型化的主動(dòng)型氫原子鐘在衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

如果將問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙比作“國(guó)際機(jī)場(chǎng)”的話，那么夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的貨物氣閘艙就是空間站的“國(guó)際貨運(yùn)港口”。以往在艙外開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，需要航天員出艙進(jìn)行安裝作業(yè)，但這種方式會(huì)受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與體積的限制。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙獨(dú)具的載荷自動(dòng)進(jìn)出艙功能將進(jìn)一步提高空間站進(jìn)行艙外載荷實(shí)驗(yàn)的能力和效率。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)配置了一臺(tái)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，可以穩(wěn)定地執(zhí)行將貨物從艙內(nèi)送出艙外，或?qū)⑴撏庳浳镞\(yùn)至艙內(nèi)的任務(wù)。

同時(shí)，為了滿足將來(lái)更大尺寸、更大重量貨物的進(jìn)出艙需求，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的貨物氣閘艙上還安裝了一款獨(dú)一無(wú)二的方形艙門，寬度可達(dá)1.2米。艙門采用全自動(dòng)弧形滑移設(shè)計(jì)，可以為貨物的進(jìn)出艙提供一條寬闊的走廊，也是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備，是我國(guó)空間站首次亮相的方形自動(dòng)艙門。

夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙上專門配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，能夠滿足百千克級(jí)微小飛行器或者多個(gè)規(guī)格立方星的在軌釋放需求，解決微衛(wèi)星和立方星低成本進(jìn)入太空的問(wèn)題。航天員只需在艙內(nèi)把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機(jī)構(gòu)的“肚子內(nèi)”，釋放機(jī)構(gòu)即可搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將小衛(wèi)星運(yùn)送至艙外。出艙后，機(jī)械臂抓取釋放機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)到指定的釋放方向，釋放機(jī)構(gòu)就會(huì)像彈弓一樣，把小衛(wèi)星彈射出去，實(shí)現(xiàn)在軌“放衛(wèi)星”。

隨著更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開(kāi)展，空間站載荷供電需求也成倍增加。因此，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙同配置、同發(fā)力，也擁有單側(cè)長(zhǎng)達(dá)27米、可展開(kāi)面積近138平方米的“巨型翅膀”—柔性太陽(yáng)翼。

我國(guó)空間站基本構(gòu)型組裝完成后，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙配置的四副太陽(yáng)翼，將為我國(guó)空間站打造最強(qiáng)勁的能量源泉，讓空間站日發(fā)電量達(dá)到近1000千瓦時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)普通家庭近半年的用電量，真正實(shí)現(xiàn)“用電無(wú)憂”。

值得注意的是，作為一種全新的太陽(yáng)能電池翼，柔性太陽(yáng)翼具有的系統(tǒng)組成、展開(kāi)原理、技術(shù)難點(diǎn)等，與傳統(tǒng)剛性、半剛性太陽(yáng)翼大相徑庭。傳統(tǒng)剛性、半剛性太陽(yáng)翼都是一次展開(kāi)，我國(guó)空間站的柔性太陽(yáng)翼則在全世界范圍內(nèi)首創(chuàng)“二次展開(kāi)”技術(shù)，這是為了確保交會(huì)對(duì)接這一關(guān)鍵動(dòng)作的絕對(duì)安全。

以夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的太陽(yáng)翼為例，交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，如果太陽(yáng)翼完全展開(kāi)，就如同兩只手各持一面巨大的帆。即便是微小的抖動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)艙的速度、相對(duì)位置和飛行姿態(tài)的控制精度嚴(yán)重下降，控制難度指數(shù)級(jí)增加。為此，中國(guó)航天科技集團(tuán)八院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)突破了“二次展開(kāi)”的關(guān)鍵技術(shù)，在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后的獨(dú)立飛行階段，柔性太陽(yáng)翼先展開(kāi)一部分電池板以滿足實(shí)驗(yàn)艙能量需求，降低飛行控制難度，完成交會(huì)對(duì)接；對(duì)接完成后，再全面展開(kāi)，建立完整的能源系統(tǒng)。