空間站建造“關(guān)鍵之戰(zhàn)”:天和“牽手”問天

樊巍 范安琪

編者的話：7月24日14時22分，我國在海南文昌航天發(fā)射場，運用中國目前近地軌道運載能力最大的運載火箭——長征五號B，成功將我國空間站建造階段首個實驗艙，同時也是我國迄今為止發(fā)射的最重載荷——問天實驗艙送至預(yù)定軌道。中國空間站建造關(guān)鍵之戰(zhàn)取得圓滿成功！　此次發(fā)射任務(wù)，中國航天再度取得多項技術(shù)突破，創(chuàng)下多項新紀(jì)錄。

“最強”把“最重”送入太空

長五B火箭近地軌道運載能力達到25噸級，無疑是發(fā)射我國迄今為止重量最大載荷一問天實驗艙的唯一選擇。,長五B火箭總體副主任設(shè)計師劉秉在接受《環(huán)球時報》記者采訪時介紹稱，為了滿足空間站建造過程中大艙段發(fā)射任務(wù)要求，長五B火箭實現(xiàn)多項獨有關(guān)鍵技術(shù)的突破，其中包括20.5米的國內(nèi)最大整流罩的分離技術(shù)、4.1米大直徑的艙箭連接分離技術(shù)、1400千牛大推力直接入軌的精度控制技術(shù)，掌握這些技術(shù)，為空間站建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。

此次發(fā)射任務(wù)也是長五系列火箭首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務(wù)，也被認(rèn)為是此次發(fā)射任務(wù)的技術(shù)難點之一。劉秉介紹稱，零窗口發(fā)射任務(wù)要求長五B火箭必須在規(guī)定時間里分秒不差地發(fā)射，否則將無法把問天實驗艙送達指定位置，從而需要耗費巨大代價調(diào)整軌道，甚至導(dǎo)致發(fā)射為終止

為保證準(zhǔn)時發(fā)射，長五B火箭型號隊伍對發(fā)射前10分鐘的發(fā)射流程進行優(yōu)化，將部分流程前置。此前，各系統(tǒng)只能按照時間順序依次去完成發(fā)射前的準(zhǔn)備工作?！斑@就像面對逐題試卷限時競答，一旦卡在前面簡單的問題上，后面的題目分?jǐn)?shù)很高卻又不能做，顯得束手束腳?！被鸺洪L五B火箭副總設(shè)計師婁路亮這樣比喻這個過程。但在此次任務(wù)中，長五B火箭型號隊伍將各系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣的準(zhǔn)備工作由“串聯(lián)”變?yōu)椤安⒙?lián)”，在距離發(fā)射2分半時，火箭就已完成發(fā)射、前各項準(zhǔn)備工作，隨時可發(fā)射。

準(zhǔn)時點火只是開始,精準(zhǔn)入軌才是成功。劉秉介紹稱，長五B火箭還應(yīng)用起飛時間偏差修正技術(shù)，最大修正時間為2分半?！巴ㄋ桌斫?，在0到2分半這個時間段內(nèi)的任一時間點發(fā)射，火箭都可以在飛行過程中自動修正，追回因推遲發(fā)射導(dǎo)致的飛行偏差，將實驗艙精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道?！眲⒈Q。

據(jù)了解，在本次發(fā)射屈務(wù)后，長五B火箭還將“連續(xù)作戰(zhàn)”，在10月承擔(dān)夢天實驗艙的發(fā)射任務(wù)，屆時中國空間站三個艙段將形成“w”字基本構(gòu)型，完成中國空間站在軌建造。而在明年，長五B火箭還將承擔(dān)我國第一個大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)射任務(wù)，屆時它將與空間站共軌飛行，開展更多的深空探測和前沿科學(xué)研究?！?/p>

創(chuàng)下多項中國航天之最

在發(fā)射成功后，問天實驗艙將按計劃與天和核心艙完成前向?qū)?，中國空間站就此、迎來首個實驗艙?！董h(huán)球時報》記者從承研問天實驗艙的航天科技集團五院獲悉，問天實驗艙作為迄今為止我國最大以及全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動飛行器，艙體總長17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量達23噸。“塊頭”和“分量”基本上等同于北京地鐵13號線列車的一節(jié)車廂。

航天科技集團五院問天實

驗艙電總體主任設(shè)計師梁曉鋒在接受《環(huán)球時報》記者專訪時介紹稱，從設(shè)計角度而言，核心艙和實驗艙兩個生活區(qū)的功能定位是一樣的，但在細(xì)節(jié)上略有區(qū)別，“比如實驗艙的生活區(qū)相對核心艙會稍大一點，同時也為每個睡眠艙配了舷窗。在成功對接后，中國空間站上就擁有6個睡眠艙，這將為兩個航天員乘組輪換時，短期6人同時在軌創(chuàng)造條件，為航天員提供更加便捷、寬敞的工作和生活環(huán)境”。

此外，問天實驗艙上配備的一對雙自由度柔性太陽翼也刷新我國航天器在軌使用太陽翼的長度紀(jì)錄。這種柔性太陽翼單個翼面展開面積約110平方米，差不多相當(dāng)于一套三室一廳的面積。而一對太陽翼全部展開后翼展超過55米，比半個足球場還要長。然而這種太陽翼不僅面積大，柔,性也大，帶著這樣大的一對“軟翅膀”進行交會對接，控制難度之以高堪稱空前。

據(jù)《環(huán)球時報》記者了解，問天艙上兩個碩大的柔性J太陽翼一起工作，每i天平均發(fā)電量超過430寸度，在地面上這個日發(fā)電量足夠北京市的一個普通家庭用上一個半月。

此次問天實驗艙與天和核心艙對接也是中國空間站首次在有人駐守的狀態(tài)下迎來航天器到訪。航天科技集團五院問天實驗GNC分系統(tǒng)副主任、設(shè)計師宋曉光在接受《環(huán)球時報》記者專訪時表示，此次對接任務(wù)有其獨特的難點，在對接時作為追蹤器的問天實驗艙，尺寸和質(zhì)量之大均是我國現(xiàn)有航天器之最；所采用的柔性太陽翼具有容易振動的特點，容易對航天器的控制精度和穩(wěn)定度產(chǎn)生不利影響。上述因素都加大了此次對接的難度。為此，問天實驗艙的研發(fā)團隊采用兩次展開的方式去提高對接的可控性。為確保對接時空間站以及航天員的安全，中國空間站上還采用了一項名為“安全橢球”的設(shè)計。

中國空間站在軌建造階段，組合體構(gòu)型多變，飛行姿態(tài)模式也將隨之反復(fù)切換。西安衛(wèi)星測控中心正高級工程師楊永安在接受《環(huán)球時報》記者專訪時介紹稱，這會對空間站的飛行姿態(tài)穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)，“特別是問天實驗艙這種大艙段的加入，對地面測控系統(tǒng)維持空間站姿態(tài)穩(wěn)定的技術(shù)能力提出較高要求”。為此，西安衛(wèi)星測控中心深入分析任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)和過程，全面掌握風(fēng)險因素，扎實制定應(yīng)對措施，確保任務(wù)風(fēng)險可控?！?/p>

問天帶去哪些太空實驗“利器”

問天實驗艙作為中國空間站首個科學(xué)實驗艙，將承擔(dān)哪些科學(xué)實驗任務(wù)呢？

中科院空間應(yīng)用中心研究員、載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師呂從民介紹稱，空間應(yīng)用系統(tǒng)問天實驗艙任務(wù)以生命科學(xué)和生物技術(shù)研究為主，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4個領(lǐng)域規(guī)劃部署了十余個研究主題，目前已立項四十余項科學(xué)項目，空間站建成后將持續(xù)論證、滾動實施相關(guān)科學(xué)項目。

問天實驗艙部署了生命生態(tài)實驗柜、生物技術(shù)實驗柜、科學(xué)手套箱與低溫存儲柜、變重力科學(xué)實驗柜等科學(xué)實驗設(shè)施，配置了艙內(nèi)外應(yīng)用任務(wù)共用支持設(shè)備。其中生命生態(tài)實驗柜以多種類型的生物個體為實驗樣品，開展多種動植物的空間生長實驗，揭示微重力對生物個體生長、發(fā)育、代謝的影響，促進人類對生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解，研究空間輻射生物學(xué)和亞磁生物學(xué)效應(yīng)與機制，探索建立應(yīng)用型受控生命生態(tài)系統(tǒng)，為航天員在軌輻射損傷評估、防護提供科學(xué)依據(jù)。

生物技術(shù)實驗柜以組織、細(xì)胞和生化分子等不同層次多類別生物樣品為對象，探索微重力環(huán)境下細(xì)胞生長和分化規(guī)律與機制，為人類健康、生殖發(fā)育提供理論基礎(chǔ)；探索重力效應(yīng)對生命起源和進化影響；在高效蛋白質(zhì)/多肽藥物、納米晶骨骼生物技術(shù)等方面取得突破性發(fā)現(xiàn)，對指導(dǎo)組織工程、生物醫(yī)藥的研究和應(yīng)用發(fā)揮重要作用。

科學(xué)手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環(huán)境控制，配置靈巧機械臂具備細(xì)胞級精細(xì)操作能力；手套箱為航天員操作多學(xué)科實驗樣品提供安全、高效支持。

變重力科學(xué)實驗柜為科學(xué)實驗提供0.01G至2G高精度模擬重力環(huán)境，采用先進的無線傳能和載波通信技術(shù)，支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的復(fù)雜流體物理、顆粒物質(zhì)運動等科學(xué)研究。

在問天實驗艙外還部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，用于獲取空間質(zhì)子、電子、中子、重離子和等離子體等環(huán)境要素數(shù)據(jù)?！?/p>