企業(yè)
- 企業(yè)
- 產(chǎn)品
- 知識
7月24日14時22分，搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點火發(fā)射。約495秒后，問天實驗艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。 7月25日3時13分，問天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口。 幾代中國航天人、千千萬萬中國人夢想中的“天宮畫卷”，正在緩緩拉開帷幕。神舟、天舟、天和、問天……伴隨著一次次頗具詩意的浪漫出發(fā)，中國航天人也在向世界傳達(dá)著這樣一個決心：“在星辰大海的征途上，中國航天永不止步?！? 比天和核心艙更高、更大、更重，“體型”大致相當(dāng)于一節(jié)地鐵車廂 7月25日10時03分，神舟十四號飛行乘組成功開啟問天實驗艙艙門，順利進(jìn)入問天實驗艙。 問天實驗艙的艙體總長17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量達(dá)23噸，相關(guān)指標(biāo)高于天和核心艙，“體型”大致相當(dāng)于一節(jié)地鐵車廂，是全世界現(xiàn)役在軌最重的單艙主動飛行器。 對在軌的3位航天員來說，問天實驗艙的到來可謂是“新房上線”。結(jié)構(gòu)上，問天實驗艙由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。其中，工作艙用來完成科學(xué)實驗，氣閘艙用來支持太空出艙，資源艙用來儲備上行物資。 工作艙長達(dá)9米，是目前我國航天器中體型最大、承載最重的密封艙。這里，還是航天員的生活工作場所。完成對接后，中國空間站的“床位”數(shù)增加到6個，靜候神舟十四號、神舟十五號兩乘組6名航天員的“太空會師”。 為了打造舒適安全的“太空之家”，航天科技集團(tuán)五院空間站結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計團(tuán)隊在工作艙研制過程中，開展了大量人性化設(shè)計——通過可翻轉(zhuǎn)式柜門設(shè)計，使儲物效率更高；3個獨立“臥室”自帶防輻射舷窗，讓航天員能安心欣賞艙外風(fēng)景；獨立衛(wèi)生區(qū)進(jìn)一步提升了私密性……此外，為了讓密封艙更加堅固耐用，能夠按照在軌設(shè)計壽命穩(wěn)定運行，設(shè)計人員還在艙壁上設(shè)計了如同“金絲軟甲”一般的防護(hù)結(jié)構(gòu)。 問天實驗艙攜帶8個實驗機(jī)柜、22個艙外載荷適配器，仿佛把一個大型科學(xué)實驗室搬到了太空。航天員出了“臥室”就能“上班”，可以在太空開展大規(guī)模的空間科學(xué)實驗。 為了更好地開展空間科學(xué)實驗，問天實驗艙搭載了我國首臺“太空冰箱”。不到0.5平方米的空間內(nèi)，高密度集成3個冷凍冷藏區(qū)，其中包括一個溫度可達(dá)零下80攝氏度的深冷環(huán)境。 據(jù)了解，空間站對設(shè)備材料的選擇有嚴(yán)格要求，這就導(dǎo)致很多地面常用的降噪材料不適用于空間站。因此，在問天實驗艙內(nèi)，“太空冰箱”的降噪問題成了一個難題。 為了給問天實驗艙營造安靜的環(huán)境，科研人員在消聲室內(nèi)搭建了一個測試平臺，攻克了復(fù)雜系統(tǒng)帶來的傳遞路徑繁瑣這一問題。在千絲萬縷的關(guān)聯(lián)中，科研人員找到了幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們對泵機(jī)進(jìn)行了開創(chuàng)性設(shè)計，保證制冷效率的同時，將聲能輸入降至最低。與此同時，他們選用新型附著材料，提升結(jié)構(gòu)的阻尼，改良箱體的聲輻射效率……就這樣，每個細(xì)節(jié)都做到極致，每個設(shè)計都想到極限，“航天冰箱”在不改變體積的情況下，噪聲指標(biāo)竟然降低了近20分貝。 除了試驗載荷功能，問天實驗艙還與天和核心艙互為備份，關(guān)鍵平臺功能一致，在需要的時候可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。同時，問天實驗艙提供了專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所，讓中國空間站的在軌運行風(fēng)險更加可控，在軌長壽命運行更加可靠。 用四兩撥千斤的“中國功夫”，讓問天實驗艙在太空中平穩(wěn)“翱翔” 空間站三艙雖統(tǒng)一設(shè)計，但每個艙段“各有千秋”。作為集“主動交會追蹤、組合體跨艙融合管理、大型能源供給、艙內(nèi)外載荷高效支持”等諸多功能為一體的艙段，問天實驗艙有著強(qiáng)大的能源管理系統(tǒng)。 在外形上，問天實驗艙與天和核心艙有明顯不同——前者尾部有一對巨大的“翅膀”，也就是太陽帆板或稱柔性太陽電池翼。 問天實驗艙配置的是目前國內(nèi)研制的最大面積可展收柔性太陽翼，單翼全展開狀態(tài)下最長達(dá)27米，展開面積可達(dá)110平方米。 兩個碩大的太陽帆板一起工作，平均每天的太陽能發(fā)電量將超過430度。在地面，這足夠一個普通家庭用上一個半月。無論是展開面積還是供電能力，這對“翅膀”都達(dá)到了天和核心艙太陽翼的兩倍多，雙翼超萬瓦級的供電讓空間站基本實現(xiàn)了“用電無憂”。 問天實驗艙的太陽帆板面積大、柔性大，帶著這樣一對又大又軟的“翅膀”進(jìn)行交會對接，控制難度之高堪稱空前。 問天實驗艙與空間站組合體交會對接時，兩只“翅膀”全部張開。為了避免對接產(chǎn)生的碰撞沖擊損傷“翅膀”，此次太陽翼的展開分“兩步走”共7個步驟進(jìn)行，中間還會有一次“中場休息”，全程歷時80分鐘。展開、鎖緊、再展開、再鎖緊，憑借其“高可靠可重復(fù)展收”的硬核技術(shù)，問天實驗艙太陽翼在太空中收放自如、剛?cè)岵?jì)，時刻確保電力“在線”。 此外，在半剛性太陽帆板控制基礎(chǔ)上，航天科技工作者研制出抑制柔性太陽帆板振動的方法，用四兩撥千斤的“中國功夫”，讓問天實驗艙在太空中平穩(wěn)“翱翔”。 此前，我國航天器大多使用半剛性太陽帆板，2021年發(fā)射的空間站核心艙首次使用了柔性太陽帆板。半剛性太陽帆板的固有頻率范圍窄，算法簡單易控制；柔性太陽帆板非常軟，固有頻率范圍很寬，航天器上稍有同樣的控制頻率與它的固有頻率重合，帆板就會被激發(fā)而振動起來。如果控制不好，每次“溫柔一振”都可能對航天任務(wù)造成致命影響。 這就好比兩個人用扁擔(dān)挑水——會挑水的人，健步如飛的同時巧妙調(diào)整身體起伏頻率和幅度，進(jìn)而控制肩上扁擔(dān)的顫動，令水桶里的水只泛起微小波紋。不會挑水的人，則沒有掌握控制扁擔(dān)的技巧，致使扁擔(dān)上下抖動嚴(yán)重，水桶晃動厲害，行走速度也受扁擔(dān)影響而忽快忽慢?；氐郊視r，本來裝滿水的水桶，可能就只剩下半桶水了。 專家們就是通過類似的原理，控制航天器的姿態(tài)來抑制振動。雖然調(diào)整的幅度很小，發(fā)揮的作用卻很大。首先，他們通過攝像機(jī)觀察等手段，識別柔性太陽帆板的振動參數(shù)。然后，計算機(jī)通過相應(yīng)的算法來確定航天器需要做出的姿態(tài)調(diào)整，并將命令下達(dá)給負(fù)責(zé)調(diào)整航天器姿態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 雖然研制人員對國外抑制太陽帆板振動的技術(shù)細(xì)節(jié)知之甚少，但從實際控制效果來看，我們自主創(chuàng)新設(shè)計的這種控制方法，更適合中國航天器的“體質(zhì)”。 空間站在軌建造完成后，天和核心艙的一個太陽帆板將轉(zhuǎn)移到問天實驗艙資源艙的尾部。這樣一來，天和核心艙將“專心致志”進(jìn)行空間站管理工作，問天實驗艙將成為名副其實的“主發(fā)電站”，為組合體源源不斷地供電送能。 問天實驗艙艙內(nèi)配置了多種科學(xué)實驗設(shè)施，就像把一個大型科學(xué)實驗室搬到了太空 問天實驗艙的一大特點，就是配置了全新的出艙氣閘艙。 在問天實驗艙中，氣閘艙的視覺效果十分獨特。外方內(nèi)圓的它，是空間站系統(tǒng)唯一一個看上去是方形的艙體。里面的圓柱狀結(jié)構(gòu)，是航天員開展出艙活動時的“更衣間”，航天員在這里作出艙準(zhǔn)備和艙外返回時，可以更舒展、更從容。 未來，這里將成為整個空間站系統(tǒng)的主要出艙通道。 出艙氣閘有一個直徑達(dá)1米的大門。航天員從這里進(jìn)進(jìn)出出，不僅更加方便，而且還能攜帶大個頭的設(shè)備出艙工作，艙外工作能力大大提升。 問天實驗艙是空間站系統(tǒng)中艙外活動部件最多的艙體，大量的艙外設(shè)施設(shè)備更好地保障了出艙活動，也為更精細(xì)的艙外操作提供了支持。 出艙氣閘外面的方形外殼，是艙外暴露實驗平臺，上面配置了22個標(biāo)準(zhǔn)載荷接口。未來，空間站搭載的科學(xué)實驗載荷，可以通過機(jī)械臂精準(zhǔn)“投送”到自己對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)載荷接口位置，“即插即用”，航天員不需要出艙進(jìn)行人工操作了。 實施精準(zhǔn)“投送”的機(jī)械臂，是問天實驗艙攜帶的一套5米長的“小臂”。這套有著7自由度的機(jī)械臂小巧、精度高，方便抓取中小型設(shè)備，進(jìn)行更為精細(xì)的操作?！靶”邸边€可以與核心艙的“大臂”聯(lián)成15米長的組合臂，便于覆蓋空間站的各個位置，開展更多艙外操作。屆時，組合臂能夠在空間站天和、問天、夢天三艙組合體之間活動，能控制的艙外范圍更大。 以天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙為基本構(gòu)型的天宮空間站完成建造后，意味著國家太空實驗室將正式建成，并將開展長期、多領(lǐng)域、大規(guī)?？臻g科學(xué)與應(yīng)用研究。 載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師、中科院空間應(yīng)用中心研究員呂從民介紹，問天實驗艙以生命科學(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)試驗等領(lǐng)域規(guī)劃部署了研究主題。通過這些科學(xué)項目的實施，關(guān)注生命生長發(fā)育和人的健康，探索人類長期太空生存所面臨的一系列科學(xué)問題。 問天實驗艙的艙內(nèi)配置了生命生態(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，就像把一個大型科學(xué)實驗室搬到了太空。 其中，兩個生命科學(xué)實驗柜和變重力科學(xué)實驗柜是開展科學(xué)實驗的場所；科學(xué)手套箱為航天員精細(xì)操作科學(xué)樣品提供安全、高效的支持；低溫裝置用于實驗樣品在軌存儲。 空間站里還會“種草”“養(yǎng)魚”。呂從民說，生命生態(tài)實驗柜以多種類型的生物個體為實驗樣品，將開展擬南芥、線蟲、果蠅、斑馬魚等生物的空間生長實驗，揭示微重力對生物個體生長、發(fā)育、代謝的影響，促進(jìn)人類對生命現(xiàn)象本質(zhì)的理解。 在軌期間，問天實驗艙將上演一場驚心動魄的“太空泊車”大片 此次發(fā)射是中國空間站進(jìn)入建造階段后的第三次發(fā)射，也是這一階段首次在有人狀態(tài)下迎接航天器來訪。 7月17日，天舟三號貨運飛船完成全部既定任務(wù)，撤離空間站組合體。天舟三號撤離前?？康膶佣丝?，是空間站核心艙的前向?qū)涌?，也是問天實驗艙的對接口。所以問天實驗艙發(fā)射之前，天舟三號就要從組合體撤離，讓出對接口，迎接問天實驗艙的到來。 問天實驗艙入軌后，順利完成狀態(tài)設(shè)置，于7月25日3時13分，成功對接于天和核心艙前向端口，這是我國兩個20噸級航天器首次在軌實現(xiàn)交會對接，也是我國空間站有航天員在軌駐留期間首次進(jìn)行交會對接。 如此大場面，“身經(jīng)百戰(zhàn)”的對接機(jī)構(gòu)依然“駕輕就熟”。由于設(shè)計先進(jìn)、安全可靠，對接機(jī)構(gòu)完全可以適應(yīng)未來空間站建造8噸到180噸各種噸位以及各種方式的對接。 整個交會對接過程歷時約13小時。對接完成后，我國空間站以龐大的身軀繼續(xù)在軌飛行，“養(yǎng)精蓄銳”迎接下一次大動作。 據(jù)介紹，在軌期間，問天實驗艙將完成我國首次在軌大慣量轉(zhuǎn)位動作——通過平面轉(zhuǎn)位90度，讓原本對接在節(jié)點艙前向?qū)涌诘膯柼鞂嶒炁撧D(zhuǎn)向節(jié)點艙的側(cè)向停泊口并再次對接，從而騰出核心艙的前向?qū)涌冢瑸閴籼鞂嶒炁摰牡皆L做好充分準(zhǔn)備。 這將是我國首次航天器在軌轉(zhuǎn)位試驗，也是國際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案進(jìn)行航天器轉(zhuǎn)位的探索嘗試。轉(zhuǎn)位過程中，問天實驗艙將上演一場驚心動魄的“太空泊車”大片。 問天實驗艙轉(zhuǎn)位成功，是后續(xù)夢天實驗艙發(fā)射的前提。夢天實驗艙就位后，空間站運營階段任務(wù)才能隨之開啟，天宮空間站才能真正宣告成功。 據(jù)航天科技集團(tuán)五院空間站任務(wù)總設(shè)計師楊宏介紹，天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙，整體呈T字構(gòu)型。也就是說，三艙位于同一平面，兩個尺寸、質(zhì)量特性大體一致的實驗艙對向布置，形成“T”字的一橫。 利用每個實驗艙自身近20米長的結(jié)構(gòu)，結(jié)合各自配置的雙自由度太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)，兩對大型太陽翼成為“T”字一橫遠(yuǎn)端的兩個“大風(fēng)車”。不管空間站以何種姿勢飛行，太陽翼都能高效發(fā)電。兩個實驗艙的氣閘艙分別位于“T”字一橫的端頭，正常工作泄壓或異常隔離時均不影響其他密封艙段構(gòu)成連貫空間，保證了安全性。 作為“T”字那一豎的核心艙，在這個對稱關(guān)系中仍然保持著前、后、下三向?qū)拥哪芰Α笙驅(qū)迂涍\飛船，使得組合體可以直接利用貨運飛船的發(fā)動機(jī)進(jìn)行軌道機(jī)動；前向、徑向兩個對接口不僅可以接納兩艘載人飛船實現(xiàn)輪換，而且可讓載人飛船在軌道面內(nèi)沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無需對接后再轉(zhuǎn)換對接口。 對于航天任務(wù)流程而言，這樣的“百變金剛”既美觀又安全。