筑“梦”天宫 中国空间站迎来“三室两厅”新世界

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中国空间站“T”字基本构型效果图。中国航天科技集团八院供图

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漫画策划:火箭青年可视化协同创新融合实验(邱晨辉 董佳莹 钱航)

10月31日,我国在文昌航天发射场成功将空间站基本构型最后一个舱体——梦天实验舱送入太空,实验舱顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

不到两年时间,中国空间站三大舱体——天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱,陆续飞向太空,三者即将形成空间站“T”字基本构型,建成国家太空实验室,举世瞩目。

天宫,亦名紫薇宫,是中国神话传说中天帝居住的宫殿。九重天之上,仙岛林立、气象万千。如今,中国人就要将其变为现实:在浩瀚星空与蓝色地球之间,“天宫”缓缓飞行,中华儿女漫步太空,自信的身影映照着人类科技的光辉。

眼下,随着中国空间站新居的来访,航天员将迎来“三室两厅”的新世界。

“梦工场”解锁出舱新体验

此次发射的梦天实验舱,是我国空间站建造阶段的第二个实验舱。先后发射的“问天”和“梦天”,看起来就像是孪生兄弟一般,它们之间到底有什么不同?梦天实验舱又有哪些惊艳之处呢?

中国航天科技集团八院空间站系统副总师柏合民介绍,梦天实验舱的舱体全长17.88米,直径4.2米,发射质量约23吨,“梦天和问天两个实验舱‘长得很像’,在舱段的组成上,都拥有工作舱、气闸舱和资源舱,特别是‘两兄弟’的工作舱和资源舱的造型几乎别无二致。”

具体来看,两者的工作舱都位于最内侧,通过对接机构与核心舱的节点舱相连。作为航天员在太空工作生活的主要区域,“问天”与“梦天”的工作舱内,均安装了多台科学实验机柜。不过,在开展空间科学实验方面,“两兄弟”的能力和责任却各有侧重。

“从对人的支持来讲,梦天实验舱的定位是航天员工作的地方,因此没有配置类似‘天和’‘问天’舱的睡眠区、卫生区。但三个舱段均配置有航天员的锻炼设备,梦天舱配置的是抗阻锻炼设备,类似健身房的划船机。”柏合民说。

据他介绍,问天实验舱主要面向空间生命科学研究,配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜;梦天实验舱则主要面向微重力科学研究,配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理以及航天技术试验等多学科方向的实验柜。位于舱体尾端的资源舱,是梦天实验舱的“能源仓库”,资源舱上安装的两副巨大太阳翼,可通过持续旋转、稳定对日为空间站提供充足的能源支持。

那么,如何从外形上快速辨认出“两兄弟”呢?柏合民说,主要还是在于工作舱与资源舱的中间部分,也就是气闸舱的独特构型上。问天实验舱采用“外方内圆”的视觉效果,圆柱形气闸舱外有个方形的外壳;而在梦天实验舱的相同位置,则采用了“舱中舱”设计,这让梦天实验舱的体型看起来更加浑圆、流畅。

除了“身材”略有差异,“两兄弟”的气闸舱还各怀绝技。问天实验舱的气闸舱主要作为航天员出舱的主要通道;而梦天实验舱的气闸舱,则是一个专供货物进出的重要枢纽。

“更形象地来说,如果将问天实验舱的气闸舱比作‘国际机场’,那么梦天实验舱的气闸舱就像是一座‘国际货运港口’,承担着空间站货物、载荷等进出舱的任务,是空间站一项重要的能力创新。”柏合民说。

此前,我国在舱外开展科学试验,需要航天员出舱进行安装作业,但这种方式会受到航天员出舱次数、载荷数量与大小的限制。因此,梦天实验舱所独具的载荷自动进出舱功能,将进一步提高空间站进行舱外载荷实(试)验的能力和效率。在梦天实验舱内,配置了一台载荷转移机构,可以稳定地执行将货物从舱内送出舱外,或将舱外货物运至舱内的任务。

柏合民介绍,载荷转移机构的运送能力能达到400公斤,单次运送货物包络可以达到1.15米×1.2米×0.9米,为货物进出打造了一条宽阔的通路。

“这与航天员‘带货出舱’的方式相比,货物出舱能力得到了进一步提升,还为在轨工作生活的航天员‘减负’,以便他们将更多的时间精力用于开展舱内各项科学实验活动。”柏合民说。

他告诉中青报·中青网记者,立足“建站为应用”的宗旨,梦天实验舱在轨组装完成后,将与空间站其他两舱实现控制、能源、信息、环境等功能的并网管理,共同支持空间站开展更大规模的空间研究实验和新技术试验,打造空间技术应用研究“梦工场”,推动我国空间科学研究与应用迈向世界领先水平。

三型“翅膀”逐日向阳

随着梦天实验舱发射成功,中国空间站“T”字构型即将亮相于世人。其最醒目的标志,非空间站配置的大大小小不同的太阳翼莫属了。

鲜为人知的是,助力我国空间站遨游太空的,是三种不同的“翅膀”:神舟载人飞船采用刚性太阳翼,天舟货运飞船采用半刚性太阳翼,核心舱和两个实验舱采用柔性太阳翼,三款不同的太阳电池翼覆盖了目前我国所有太阳翼的种类,撑起了空间站在轨运营的“能源担当”。

中国航天科技集团八院空间站型号副总师王治易介绍,从1992年中国载人航天工程立项开始,八院便致力于为航天器打造稳定可靠的“翅膀”,截至目前,已经有28套刚性太阳翼、8套半刚性太阳翼以及6套柔性太阳翼翱翔太空,为载人航天工程提供源源不断的能源。

他告诉记者,空间站上搭载的天文、地理、生物、医学等各类科学仪器需要工作,航天员的日常生活也离不开能源。传统的刚性、半刚性太阳电池翼因其体积、重量、功率等因素的限制无法满足这一需求,而柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高,比如实验舱柔性翼全部收拢后厚度只有18厘米,与一部手机的长度相当,仅为刚性太阳翼的1/8。

2021年4月,我国空间站的“第一块积木”天和核心舱率先就位,阳光下熠熠生辉的“天和之翼”抓人眼球,这是为我国空间站打造的首个大面积可展收柔性太阳翼。

“核心舱单个太阳翼展开的面积,相当于一个标准单打羽毛球场的大小,可以提供9千瓦的电能。”王治易说。

2022年,问天实验舱和梦天实验舱陆续成功发射,它们各配备了2套大型柔性太阳电池翼,单套太阳翼展开面积达到138平方米,单个功率高达18千瓦,4个这样的太阳电池翼就能提供空间站建成后三舱组合体80%的能量。

值得一提的是,传统刚性、半刚性太阳翼都是一次展开,在短短十几秒内就完成所有动作;而大型柔性太阳电池翼却首创了“二次展开”技术,整个过程持续80分钟,这是为了确保交会对接这一关键动作的绝对安全。

以梦天实验舱的太阳翼为例,交会对接过程中两个数十吨级的航天器,以约7.9公里/秒的速度运动,需要精准地控制它们的位置、速度、姿态,才能保证可靠的对接,稍有偏差,航天器就会发生碰撞。

“如果太阳电池翼完全展开,实验舱就好比两只手各持一面巨大的帆,微小的抖动,都会导致实验舱的速度、相对位置和飞行姿态的控制精度严重下降,控制难度指数级增加。”王治易说。

也因此,设计团队突破了“二次展开”的关键技术,在实验舱发射后的独立飞行阶段,柔性太阳电池翼首先展开一部分电池板以满足实验舱能量需求;在对接完成后,再次完成全展开,建立完整的能源系统。

王治易表示,在整个展开过程中,数节伸展机构依次向外推出,带动太阳翼向外展开,像是一架被缓缓拉开的手风琴,在宇宙中奏响它的美妙乐章。

勾画中国空间站未来

“梦天”启程太空,还搭载了一些重要的先进装置。中国航天科技集团八院空间站梦天实验舱总体副主任设计师孟瑶介绍,这些装置在梦天舱上作用不一,无论是太空智能家居的实现应用,还是诸多科学装置的搭载使用,它们一道勾画着中国空间站的未来。

比如,待三舱合一后,空间站将升级为“三室两厅”,豪华的房子需要智能家居来匹配。梦天实验舱搭载的话音设备,可以与核心舱、问天实验舱、载人飞船、货运飞船组建多舱段语音传输系统。不管航天员在“三室两厅”的何处,高效便捷的话音设备都能让他们实时对话,按需群聊、私聊。

孟瑶介绍,多场景畅聊无阻无卡顿,离不开话音设备配备的12个软件。实时处理近30路链路数据,精准设定单个或多个通话对象,让航天员在太空家园的各个角落,“站”里“站”外,都可以边听音乐边聊天;利用空间站WiFi可以无线聊天,堪比语音通话,多舱段、多链路实时语音技术,让太空与地球实现了通话自由。

“三舱合一,使得空间站的高速通信设备增加到了3台,从‘单打独斗’变为‘互为备份’,再到‘铁三角队形’。空间站的数据处理和传输能力将再度提高。”孟瑶说。

她告诉记者,如果说没有高速通信的时代是90年代的水泥马路,有了高速通信的核心舱是城市快速路,带上高速通信的问天实验舱是交叉的南北高架,那么组队后的梦天试验舱,三台高速通信机的公路配置,可以说组成了高速公路网络,不但路面宽、路基好,而且道路网络四通八达,上下匝道分配合理,交通指挥安全科学,即使一台机器失效,另外两台都可接力续航、协同工作,从而实现空间站数据传输的高可靠性。

此外,梦天舱应用了X射线透射成像系统,作为空间站材料实时观察实验主载荷,该系统也是世界第一台在载人航天器中使用X射线透射成像原理进行实验的科学装置。孟瑶介绍,它将在资源与空间受限的情况下,实现X射线的完全屏蔽,是具有历史意义的科学装置。

梦天实验舱还为立方星、微卫星等实现“太空旅游”提供了“VIP包厢”,这就是微小飞行器释放机构。有了这个机构,我国空间站可化身为“太空驿站”,为立方星、微卫星的释放提供最前沿的出发地。

通常情况下,释放机构以组件形式收纳在舱内,当需要执行释放小卫星任务时,航天员可以按照立方星的规格进行在轨组装。“包厢”单次最大载客量为36U立方星或百公斤级微卫星。立方星安装完成后,“包厢”搭乘载荷转移机构转移到舱外。

随后,舱外机械臂抓取释放机构,并调整释放机构的姿态,当转移到立方星或微卫星的发射方向时,释放机构就像弹弓一样,把小卫星依次以规定的速度弹射出去,让卫星既稳当、又安全地开始太空旅程。

柏合民说,梦天实验舱的发射成功,是航天系统工程规律的又一成功应用。研制时的万千试验磨炼,入轨前后层出不穷黑科技保障,未来运行后先进的科学实验仪器,这些都一同造就了“梦天”。

从“天和”到“问天”,从“问天”到“梦天”,头顶的那片天上,中国有了属于自己的定居所。

中青报·中青网记者 邱晨辉

来源:中国青年报

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