夢天實驗艙背后的高科技

楊陽

2022年10月31日，中國空間站第三個艙段夢天實驗艙在文昌航天發(fā)射場由長征五號B運載火箭發(fā)射，順利進入預定軌道，發(fā)射任務取得圓滿成功。11月1日，夢天實驗艙與天和核心艙成功對接，后續(xù)，通過對夢天實驗艙實施水平轉位，三艙將形成平衡對稱的“T”字構型，中國空間站三個艙段共同見證歷史性的“合體”時刻。夢天實驗艙是中國空間站三大艙段中的最后一個艙段，它長17.88米，最大直徑為4.2米，重量約23噸。它與天和核心艙、問天實驗艙的任務分工和定位有何異同？夢天實驗艙有何獨特之處？其背后有哪些高科技？

夢天實驗艙與天和核心艙、問天實驗艙的任務分工和定位不同，與后兩者在配置上既有相似之處，又各有特點。

夢天實驗艙的定位是航天員工作的地方，因此沒有配置類似天和核心艙、問天實驗艙的再生生保系統(tǒng)以及睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)，但三個艙段均配置了航天員的鍛煉設備。夢天實驗艙配置的是抗阻鍛煉設備，類似健身房的劃船機。

從總體構型來看，夢天實驗艙的“肚子”更圓，它由四個艙段組成，并采用了獨特的“套娃”設計。工作艙在最前端，通過對接機構與核心艙相連，主要用于航天員艙內工作與鍛煉，艙內科學實驗機柜也安裝在這里。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，在載荷艙的內部，隱藏著一個貨物氣閘艙，是貨物出艙專用通道。最前端的是資源艙，也是對日定向裝置和柔性太陽翼等安裝的地方。

夢天實驗艙作為“工作室”，是三艙中支持載荷能力最強的艙段，其配置了13個標準載荷機柜，主要面向微重力科學研究，可支持流體物理、材料科學、超冷原子物理等前沿實驗項目，堪稱天宮“夢工場”。同時，為了最大化實現(xiàn)艙外實驗支持能力，夢天實驗艙艙外配置了37個載荷安裝工位，可為各類科學實驗載荷提供機、電、信息方面的能力支持，確保它們在太空環(huán)境下開展各類實驗。特別是載荷艙上有兩塊可在軌展開的暴露載荷實驗平臺，進一步增強了空間站的載荷支持能力。

夢天實驗艙內安裝有空間科學研究與應用領域的超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜等7個方面的8個科學實驗柜。其中，高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統(tǒng)通過艙內不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由地面測試評估和實驗驗證系統(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型氫原子鐘等11個子系統(tǒng)。主動型氫原子鐘是高精度時頻實驗系統(tǒng)中的核心載荷， 為空間時間頻率系統(tǒng)提供基礎時間頻率信號，同時為小型化的主動型氫原子鐘在衛(wèi)星平臺上的應用打下堅實的基礎。

如果將問天實驗艙的氣閘艙比作“國際機場”的話，那么夢天實驗艙的貨物氣閘艙就是空間站的“國際貨運港口”。以往在艙外開展科學實驗，需要航天員出艙進行安裝作業(yè)，但這種方式會受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與體積的限制。夢天實驗艙獨具的載荷自動進出艙功能將進一步提高空間站進行艙外載荷實驗的能力和效率。夢天實驗艙內配置了一臺載荷轉移機構，可以穩(wěn)定地執(zhí)行將貨物從艙內送出艙外，或將艙外貨物運至艙內的任務。

同時，為了滿足將來更大尺寸、更大重量貨物的進出艙需求，夢天實驗艙的貨物氣閘艙上還安裝了一款獨一無二的方形艙門，寬度可達1.2米。艙門采用全自動弧形滑移設計，可以為貨物的進出艙提供一條寬闊的走廊，也是隔離艙內與艙外空間環(huán)境的關鍵設備，是我國空間站首次亮相的方形自動艙門。

夢天實驗艙上專門配置了微小飛行器在軌釋放機構，能夠滿足百千克級微小飛行器或者多個規(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入太空的問題。航天員只需在艙內把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機構的“肚子內”，釋放機構即可搭乘載荷轉移機構將小衛(wèi)星運送至艙外。出艙后，機械臂抓取釋放機構，運動到指定的釋放方向，釋放機構就會像彈弓一樣，把小衛(wèi)星彈射出去，實現(xiàn)在軌“放衛(wèi)星”。

隨著更多科學實驗任務的開展，空間站載荷供電需求也成倍增加。因此，夢天實驗艙與問天實驗艙同配置、同發(fā)力，也擁有單側長達27米、可展開面積近138平方米的“巨型翅膀”—柔性太陽翼。

我國空間站基本構型組裝完成后，兩個實驗艙配置的四副太陽翼，將為我國空間站打造最強勁的能量源泉，讓空間站日發(fā)電量達到近1000千瓦時，相當于一個普通家庭近半年的用電量，真正實現(xiàn)“用電無憂”。

值得注意的是，作為一種全新的太陽能電池翼，柔性太陽翼具有的系統(tǒng)組成、展開原理、技術難點等，與傳統(tǒng)剛性、半剛性太陽翼大相徑庭。傳統(tǒng)剛性、半剛性太陽翼都是一次展開，我國空間站的柔性太陽翼則在全世界范圍內首創(chuàng)“二次展開”技術，這是為了確保交會對接這一關鍵動作的絕對安全。

以夢天實驗艙的太陽翼為例，交會對接過程中，如果太陽翼完全展開，就如同兩只手各持一面巨大的帆。即便是微小的抖動，都會導致實驗艙的速度、相對位置和飛行姿態(tài)的控制精度嚴重下降，控制難度指數(shù)級增加。為此，中國航天科技集團八院設計團隊突破了“二次展開”的關鍵技術，在夢天實驗艙發(fā)射后的獨立飛行階段，柔性太陽翼先展開一部分電池板以滿足實驗艙能量需求，降低飛行控制難度，完成交會對接；對接完成后，再全面展開，建立完整的能源系統(tǒng)。