夢天艙就位中國空間站T字成型

文/王翔

10月31日，夢天實驗艙搭載長征五號B火箭成功從文昌航天發(fā)射場升空，中國空間站迎來了全面建成的關(guān)鍵一步。

中國載人航天工程按照“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃穩(wěn)步推進(jìn)。此前，在3個神舟飛船乘組的參與和3艘天舟貨運飛船的保障下，中國空間站完成了關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證、問天實驗艙對接與轉(zhuǎn)位等工作，做好了接納夢天實驗艙的準(zhǔn)備。作為中國空間站第三個大型艙段，夢天實驗艙作用關(guān)鍵，很多技術(shù)特點值得品味。

▲ 夢天實驗艙在軌對接效果圖

▲ 夢天實驗艙轉(zhuǎn)位組裝效果圖

三艙互補各有分工

中國空間站在分析借鑒國外空間站的設(shè)計理念及經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，突出強調(diào)多艙段航天器的系統(tǒng)統(tǒng)一，按照三艙組合體進(jìn)行一體化設(shè)計、統(tǒng)籌研制、集成驗證，通過3次發(fā)射完成在軌組裝建造。換句話說，3個艙段都是不可或缺的，通過各自資源、能力的集成，共同構(gòu)成了性能強大、功能完整的70噸級“天宮”。這種創(chuàng)新實踐使得中國空間站能夠在適度規(guī)模條件下取得更高的研制效益，實現(xiàn)高效率資源利用和更強的系統(tǒng)冗余。

為實現(xiàn)長期載人可靠飛行并開展有人參與的多領(lǐng)域空間科學(xué)實驗與技術(shù)試驗，中國空間站全系統(tǒng)以“1=1+1+1”的方式構(gòu)建，即整站功能被系統(tǒng)分解至3個艙段。

其中，天和核心艙負(fù)責(zé)空間站平臺的統(tǒng)一管理和控制，并作為目標(biāo)飛行器支持來訪飛行器交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊。由于天和核心艙是第一個發(fā)射并獨立運行的空間站艙段，它擁有完備的平臺功能和少量載荷支持能力。

今年7月24日發(fā)射的問天實驗艙可以對天和核心艙平臺功能進(jìn)行系統(tǒng)級備份，具備對空間站組合體姿軌控、信息管理、能源管理、載人環(huán)境、熱管理等功能進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制的能力，能夠在應(yīng)急情況下“整體接管”空間站。它支持航天員在軌駐留，提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所，還支持開展密封艙內(nèi)、艙外科學(xué)實驗和技術(shù)試驗。

本次發(fā)射的夢天實驗艙具備平臺重要功能和關(guān)鍵設(shè)備的備份能力，可以為航天員在密封艙內(nèi)工作、開展艙內(nèi)及艙外空間實（試）驗提供保障條件。相比更早發(fā)射的兩個空間站艙段，夢天實驗艙除支持更多艙內(nèi)和艙外載荷外，還提高了自主能力，支持載荷與設(shè)備自動進(jìn)出艙。

由上述功能分配可見，中國空間站不同艙段功能各有側(cè)重，既能相互補充，又具備適度冗余。順次發(fā)射的三艙在平臺功能上逐個減弱，而在載荷支持能力上越來越強。這體現(xiàn)了空間站建造的工程思路：在首先保證平臺安全的同時，逐步擴展載荷保障能力，邊建造邊運行。

撐起能源供應(yīng)“半壁江山”

夢天實驗艙和問天實驗艙的外部輪廓特征、尺寸基本一致，同為23噸級大型載荷。兩個實驗艙分別位于天和核心艙左右兩側(cè)，共同形成對稱的T字構(gòu)型。三艙組合體不論是自身質(zhì)量特性還是氣動阻力均做到了左右對稱，這對于姿態(tài)控制和軌道控制非常有利。特別是空間站進(jìn)行軌道機動時，利用天和核心艙或者對接在其后的貨運飛船主發(fā)動機實施軌道控制，推力矢量正好處于對稱軸線上，更高效可靠。

▲ 中國空間站T字構(gòu)型示意圖

▲ 中國空間站2個實驗艙都配備了雙自由度太陽翼

由于T字構(gòu)型組合體布置在同一平面，兩個實驗艙相向布置，加之各有近20米結(jié)構(gòu)長度，各自尾端的太陽翼就被拉開約40米間距，使得兩對太陽翼在轉(zhuǎn)動時受遮擋影響很小。在夢天艙對接并轉(zhuǎn)位到位后，中國空間站基本構(gòu)型的設(shè)計優(yōu)勢將完全形成并充分施展。

同時，兩個實驗艙的太陽帆板完全一致，均配置了雙自由度驅(qū)動機構(gòu)。也就是說，太陽帆板既能在太陽高度角方向上也能在方位角方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動，總是保持與太陽光線垂直，確保發(fā)電效率始終處于最佳狀態(tài)。

在雙自由度、大面積等多重優(yōu)勢下，酷似“大風(fēng)車”的太陽帆板將成為中國空間站的主要發(fā)電來源。通過供電并網(wǎng)，兩個實驗艙供應(yīng)的能源將在各艙段進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，還能提供給飛船和未來的巡天光學(xué)艙?？梢哉f，夢天實驗艙在電力供應(yīng)上占據(jù)了空間站的“半壁江山”。

資源融合系統(tǒng)集成

夢天實驗艙對接轉(zhuǎn)位后，自身資源融入三艙組合體?？臻g站完成了繼問天實驗艙組裝后的又一次系統(tǒng)集成，具體可分為5個方面。

在控制系統(tǒng)方面，夢天艙控制總線與空間站組合體并網(wǎng)，本身控制計算機不再當(dāng)班工作。夢天艙配備的各種敏感器（如星敏感器、紅外地球敏感器等）和執(zhí)行機構(gòu)（包括所有發(fā)動機）都成為空間站統(tǒng)一使用的資源，由三艙組合體當(dāng)班控制器根據(jù)需求調(diào)配。

在信息系統(tǒng)方面，各種信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大聯(lián)合，平臺總線、載荷以太網(wǎng)及其配備的WiFi均完成并網(wǎng)。空間站三艙平臺和載荷信息實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

這就帶來了兩個顯著的好處。其一，不論設(shè)備安裝在哪個艙，系統(tǒng)對設(shè)備的監(jiān)視和管理是無差別的，載荷用戶對不同位置設(shè)備的監(jiān)視管理過程也是無感知的，有利于實現(xiàn)整站載荷資源的統(tǒng)一分配和動態(tài)管理。其二，三艙配置的中繼終端均可用于天地測控，平時可以規(guī)劃使用1～2個，延長設(shè)備在軌使用壽命，需要時進(jìn)行接力通信，實現(xiàn)天地測控在切換中繼星時無縫銜接。此模式已在今年10月12日進(jìn)行的問天艙首次太空授課中應(yīng)用，夢天艙無疑能進(jìn)一步增強空間站的天地聯(lián)系能力。

在能源供應(yīng)與散熱方面，三艙能源并網(wǎng)后統(tǒng)一管理，兩個實驗艙將承擔(dān)平臺和載荷的大部分用電。到時候，兩個實驗艙可以跨艙進(jìn)行能源調(diào)配，并通過熱控散熱回路連通，實施與能源供應(yīng)匹配的散熱能力調(diào)配。

打個比方，如果夢天艙載荷啟動較多，僅靠本艙發(fā)電，可能缺電1千瓦，那時就可以從問天艙調(diào)配1千瓦電進(jìn)入供電網(wǎng)；同時，夢天艙可以將自己多產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)絾柼炫?，通過問天艙的輻射器安全排散。這樣，通過能源供應(yīng)和散熱管理，可以高效用電，使用載荷也更靈活，實時動態(tài)可調(diào)。

在載人環(huán)境方面，夢天艙為航天員增加了約30立方米的艙內(nèi)工作空間。而且，三艙組合體密封空間連通，形成完整的空氣循環(huán)，空氣壓力、成分及溫濕度都能得到統(tǒng)一控制，并隨著空氣流動均勻化，讓航天員在各艙段內(nèi)都處于適宜的環(huán)境中。

在機械臂應(yīng)用方面，夢天艙外壁同時配置了大小機械臂的“腳印”，空間站的大小機械臂都可以在夢天艙外“爬行”和工作，協(xié)助航天員出艙，照料艙外載荷。所有機械臂“腳印”均有供電和信息接口，其控制總線是整體信息系統(tǒng)的一部分，三艙互聯(lián)互通。屆時，航天員通過天和核心艙的操作臺就可以操控機械臂在夢天艙外運行。

上述各方面的設(shè)計和設(shè)備配置，讓夢天艙既能適應(yīng)單艙獨立飛行，又能保證空間站組合體長期運行。

夢天艙之所以能與其他艙段完美兼容，是系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)果。夢天艙的制導(dǎo)與導(dǎo)航控制計算機、信息管理計算機、測控設(shè)備、電源設(shè)備等都是三艙通用產(chǎn)品，通過配備個性化軟件，完成在夢天艙的具體任務(wù)。這些產(chǎn)品，特別是硬件，在空間站系統(tǒng)級設(shè)計時統(tǒng)一研制規(guī)劃，統(tǒng)籌開展試驗和鑒定，提高了研制效率和驗證充分性。三艙分布式配置保證了關(guān)鍵設(shè)備都有適當(dāng)冗余，并網(wǎng)集成又使得系統(tǒng)對設(shè)備的使用可以按需調(diào)配和重構(gòu)。

典型例子是控制系統(tǒng)的敏感器。萬一個別設(shè)備遭遇故障，或某個設(shè)備因姿態(tài)等原因遭遮擋而無法工作，控制系統(tǒng)就可以“切除”故障設(shè)備，并引入備份，確保了系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)工作的連續(xù)性。

其實，系統(tǒng)集成與重構(gòu)也是可逆的。在極端情況下，假如整個夢天艙發(fā)生故障，它與空間站組合體的聯(lián)系可以被暫時切斷。用算式比喻，三艙以“（1+1）+1”的模式運行，等排除故障后，再恢復(fù)“（1+1+1）”運行。

“個性”鮮明優(yōu)勢獨特

夢天實驗艙的主要任務(wù)包括：在軌完成與天和核心艙交會對接、艙段轉(zhuǎn)位和停泊；為航天員在密封艙內(nèi)工作提供更好的保障條件，保證航天員安全；為開展艙內(nèi)及艙外空間實（試）驗提供保障條件；提供貨物氣閘，實現(xiàn)載荷與設(shè)備自動進(jìn)出艙等。通過精心設(shè)計，夢天實驗艙具備一些獨特優(yōu)勢。

優(yōu)勢之一，三艙中載荷支持能力最強。

夢天實驗艙包括工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙，軸向長度為17.9米，艙體結(jié)構(gòu)最大直徑4.2米。載荷艙外設(shè)置了展開式載荷試驗平臺，需發(fā)射后在軌展開。

在艙內(nèi)載荷方面，相比天和核心艙的4個、問天艙的8個機柜空間，夢天艙提供了13個機柜空間。除若干機柜隨艙發(fā)射外，夢天艙還有在軌繼續(xù)配置載荷的能力。

在艙外載荷方面，為提高保障能力，夢天艙創(chuàng)新設(shè)計了獨特的主結(jié)構(gòu)形式。載荷艙是“套”在氣閘艙外的大直徑非密封艙，并在對天、對地方向都配置了可展開的暴露平臺。

這種設(shè)計的優(yōu)點主要有4個方面。

第一，有利于結(jié)構(gòu)承載。貨物氣閘艙與密封艙部分連接，但使用需求決定了它的尺寸并不大，難以直接作為連接資源艙的過渡結(jié)構(gòu)，所以載荷艙承擔(dān)了工作艙與資源艙之間的連接。暴露平臺在發(fā)射時是關(guān)閉狀態(tài)，使得整個載荷艙形成一個封閉的大直徑圓柱殼體結(jié)構(gòu)，有利于保持良好的整艙剛度和局部強度，以承受發(fā)射階段的載荷條件。

▲ 中國空間站艙段開展地面測試

第二，有助于保護(hù)貨物氣閘艙和部分設(shè)備。載荷艙將貨物氣閘艙整體包圍，并在夾層內(nèi)部安裝了艙外流體回路等設(shè)備，可以充當(dāng)貨物氣閘艙和這些設(shè)備的防護(hù)層。

第三，擴大了載荷適配器安裝面積。夢天艙在空間站上轉(zhuǎn)位到位后，暴露平臺打開，不僅露出了氣閘艙的出艙口，而且平臺內(nèi)表面翻開朝外，擴大了艙體表面，配置了更多標(biāo)準(zhǔn)載荷適配器，載荷獲得了更大的安裝空間。

第四，使載荷適配器位于最佳朝向。暴露平臺展開后，形成了與圓柱形艙體相切的平面，使得大部分適配器形成了正對天或正對地的朝向。多數(shù)艙外載荷因試驗?zāi)康亩邪惭b朝向要求，對天與對地是需求最多的方向。

優(yōu)勢之二，更高效地保障大型載荷出艙。

夢天艙貨物氣閘艙與天和核心艙節(jié)點艙、問天艙氣閘艙相比，未配備人員出艙所需的保障設(shè)備，而是作為載荷和貨物的專用設(shè)施進(jìn)行配置和應(yīng)用，其突出強項是自動化水平高，更適應(yīng)大尺寸載荷進(jìn)出艙。

為實現(xiàn)載荷進(jìn)出艙全自動化，夢天艙貨物氣閘艙的出艙艙門為電動自動開關(guān)，不需要航天員現(xiàn)場操作。艙內(nèi)配置了自動轉(zhuǎn)移機構(gòu)，可以將固定好的貨物、載荷送出艙外或收回氣閘艙內(nèi)。

▲ 夢天艙在室內(nèi)完成推進(jìn)劑加注工作

▲ 夢天實驗艙構(gòu)型示意圖

▲ 夢天實驗艙可展開暴露平臺示意圖

簡單來說，載荷出艙流程為：航天員在艙內(nèi)將載荷設(shè)置好，安裝在自動轉(zhuǎn)移機構(gòu)上；航天員撤離貨物氣閘艙，回到工作艙并關(guān)門；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門打開，轉(zhuǎn)移機構(gòu)將載荷送出艙；機械臂抓住并帶走載荷；轉(zhuǎn)移機構(gòu)撤回艙內(nèi)；出艙艙門關(guān)閉，貨物氣閘艙復(fù)壓；航天員進(jìn)入艙內(nèi)正常工作。

相應(yīng)地，載荷進(jìn)艙流程包括：航天員撤離貨物氣閘艙，回到工作艙并關(guān)門；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門打開，轉(zhuǎn)移機構(gòu)伸出艙外；機械臂將載荷放置在轉(zhuǎn)移機構(gòu)的適配器上；轉(zhuǎn)移機構(gòu)將載荷收回艙內(nèi)；關(guān)閉出艙門，貨物氣閘艙復(fù)壓；航天員進(jìn)入艙內(nèi)操作。

值得注意的是，上述過程中，不再需要航天員穿著艙外服接送載荷，極大地降低了安全風(fēng)險，也延長了航天服使用壽命。未來航天員出艙活動將更加專注于必要的艙外裝配、維修等工作。

此外，夢天艙貨物氣閘艙的出艙艙門及連通工作艙的艙門均采用了大尺寸的方形艙門。在轉(zhuǎn)移機構(gòu)和機械臂配合下，航天員不便搬運的載荷可以被迅速送出艙外或接回艙內(nèi)。這對于未來大型艙外設(shè)施維修維護(hù)等保障

▲ 夢天實驗艙水下模型展現(xiàn)載荷進(jìn)出艙開口

工作是非常有利的。

優(yōu)勢之三，“艙內(nèi)外過渡”應(yīng)用拓展。

載人航天活動的重要目的之一是發(fā)揮人在現(xiàn)場的作用，既包括航天員處置問題時的主觀能動性，也包括充分發(fā)揮人工操作技巧。然而，航天員在艙內(nèi)與艙外的工作能力，尤其是精細(xì)操作能力，有天壤之別。艙外活動時，受艙外服和手套等限制，航天員的觀察、操作空間及工具使用能力等均受到極大限制，即便使用專門設(shè)計的專用工具，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到艙內(nèi)作業(yè)的精準(zhǔn)水平。相比之下，只要工具合適，地面能進(jìn)行的工作都可以由航天員艙內(nèi)在軌完成。

▲ 夢天實驗艙轉(zhuǎn)運途中

自動化貨物氣閘艙正好提供了一個“艙內(nèi)外過渡”的工作間。大型載荷部件在此進(jìn)行裝配和測試后，可以整體送出艙外。艙外載荷也可以先搬到這里，艙室經(jīng)復(fù)壓后，由航天員在艙內(nèi)操作完成拆解、維修、維護(hù)等工作。

更進(jìn)一步，這個工作間具備了現(xiàn)場裝配微小衛(wèi)星并釋放的潛力。

綜合來看，夢天艙補充并增強了空間站的綜合能力，提高了系統(tǒng)可靠性。其“個性化”能力則進(jìn)一步強化了空間站的“太空母港”作用，對于載荷的保障能力更強，也將拓展有人參與的航天飛行與在軌工作模式。

隨著空間站建成和運營，我國獨立掌握了近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備了長期開展近地空間有人參與的科學(xué)實驗和技術(shù)試驗的能力，未來有望綜合開發(fā)利用太空資源，為人類和平利用太空作出開拓性貢獻(xiàn)。