問天探蒼穹:中國空間站首個實驗艙發射成功

問天探蒼穹:中國空間站首個實驗艙發射成功
長征五號B遙三運載火箭衝上雲霄,成功將中國空間站建造階段首個實驗艙,也是中國迄今為止發射的最重載荷——問天實驗艙精準送入預定軌道。這是中國空間站首次在有人狀態下迎接航太器來訪,作為中國空間站第二個艙段,實驗艙內部配置了多臺實驗櫃和3個睡眠區,是航太員將來的主要工作場所。

  七月盛夏,椰林海灘,陽光炙熱。中國空間站第二個艙段——問天實驗艙在這裡點火升空,踏上“問天”之旅。作為中國空間站第二個艙段,實驗艙內部配置了多臺實驗櫃和3個睡眠區,是航太員將來的主要工作場所,這也是中國空間站首次在有人狀態下迎接航太器來訪。

  中國空間站又名天宮,是中國獨立自主建造運營的載人空間站,由天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙三個艙段構成,整體呈T字構型。其中天和核心艙于2021年4月29日發射升空,迄今為止已接待三批中國航太員;問天實驗艙是中國空間站第二個艙段,也是首個科學實驗艙;而夢天實驗艙計劃將於今年10月發射升空。

     中國空間站就像一套三室兩廳的房子。“三室”指一個核心艙和兩個實驗艙,“兩廳”指神舟載人飛船和天舟貨運飛船。伴隨著問天實驗艙的發射,中國空間站在天和核心艙(一室)、神舟十四號載人飛船(一廳)、天舟四號貨運飛船(一廳)的基礎上,又多了個“長房間”——全長17.9米的“問天房間”(一室)。

問天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口的模擬圖像

     作為中國空間站首個實驗艙,問天實驗艙體型更大、功能更全。它具備空間站組合體統一管理和控制能力,可與核心艙進行交會對接、轉位和停泊,支援航太員在軌駐留,提供專用氣閘艙,支援開展密封艙內、艙外科學實驗和技術試驗。

  問天實驗艙還配備了一對雙自由度柔性太陽帆板,全部展開後的翼展超過55米,比半個足球場還要長,這也刷新了中國航太器在軌使用太陽帆板的紀錄。問天實驗艙是一個集平臺功能與試驗載荷功能于一體的“全能型”選手。

  平臺功能方面,問天實驗艙與天和核心艙互為備份,關鍵平臺功能一致,可以完全覆蓋空間站組合體工作要求。天和核心艙“想休息”時,問天實驗艙能立刻頂上。

搶鮮看“問天房間”裝修亮點

文昌航太發射場空間站建造任務首次實施“零窗口”發射 文昌航太發射場 供圖

  問天實驗艙的能源管理系統十分強大,自帶高性能“發電機”與“配電器”。問天實驗艙的每個太陽帆板展開面積超100平方米。兩個碩大的太陽帆板一起工作,可有效收集更多的太陽能,每天平均發電量超過430度,為空間站運作提供充足的能源。

  空間站在軌建造完成後,天和核心艙的一個太陽帆板將轉移到問天實驗艙資源艙的尾部,天和核心艙將“專心致志”地進行空間站管理工作,而問天實驗艙將成為名副其實的“主發電站”。

  出艙氣閘是未來航太員的主要出艙通道,出艙氣閘內裏呈圓柱狀,是航太員開展出艙活動時的“更衣間”。相比天和核心艙節點艙,問天實驗艙的“更衣間”空間更大,航太員作出艙準備和艙外返回時,可以更舒展。其大門直徑達1米,航太員從這裡進出,不僅更加方便,還能攜帶大個頭的設備出艙。

圖為問天艙照明設備。(資料圖) 航太510所供圖

問天艙照明設備

  出艙氣閘外面是艙外暴露實驗平臺,上面配置了22個標準載荷介面,其中一部分還配備了流體回路溫度控制。未來,在空間站搭載的科學實驗載荷,可以通過機械臂精準“投送”到對應的標準載荷介面位置,“即插即用”。

  問天實驗艙將在氣閘艙外攜帶一套5米長的“小臂”。這套7自由度的機械臂小巧、精度高,“小手”方便抓中小型設備,做更為精細的操作。小機械臂還可以與核心艙大機械臂級聯成15米長的組合臂,能夠在“天和”、“問天”、“夢天”的空間站三艙組合體之間爬行,“機甲戰士”能抵達的艙外範圍將更大。

  問天實驗艙的艙外還設置了2台雲檯燈、4台高清錄影機,能夠一邊打光追光、一邊拍攝錄製。借助這些設備,地面測控人員更清楚地實時觀察航太員出艙活動情況。另外,它們還能在太空中拍攝許多“壁紙大片”“唯美視頻”,記錄和呈現美輪美奐的地球和外太空。

為航太員提供安靜舒適的工作環境

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  作為中國空間站第二個艙段,實驗艙內部配置了多臺實驗櫃和3個睡眠區,是航太員將來的主要工作場所。如何控制艙內噪聲,為航太員提供安靜舒適的工作環境備受重視。

  問天實驗艙內部安裝了大量壓氣機、泵、風扇,以及由於空間生命科學研究任務所需搭載的“太空冰箱”等諸多“不太安靜”的設備,這些設備工作的噪聲疊加在一起就構成了空間站內的複雜噪聲環境。

  問天實驗艙與天和核心艙交會對接後,將組成連通的整體,航太員將進入問天實驗艙,開展空間實驗研究工作。為了給航太員提供安靜舒適的工作環境,必須找出“嗓門”最大、影響最明顯的設備,進行更精準、更嚴格的噪聲治理。

研製歷程 王淇俊 攝

     問天實驗艙搭載的“太空冰箱”在設計時做到了最大程度的整合,各組成部分間環環相扣。另外,為了保證艙內空氣品質,空間站對材料選擇有嚴格要求,這就導致很多地面常用的降噪材料不適用於空間站。

  為了高效降噪,試驗團隊首先對關鍵泵機進行設計,在保證製冷效率的同時,將聲能輸入降至最低,並選用新型附著材料提升結構阻尼,改良箱體的聲輻射效率,通過改變連接關係改善結構傳導特性……利用這些細節設計,試驗團隊將“太空冰箱”的噪聲指標降低了近20分貝。

  此外,艙內設備的噪聲成因、安裝位置、體積大小各不相同,試驗團隊“對症下藥”。借助各種妙招,問天實驗艙工作區噪聲可保持在60分貝以下,睡眠區保持在50分貝以下,滿足相關醫學標準要求,為航太員提供安靜舒適的工作生活環境。

長五B火箭助力空間站衝上雲霄

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  根據中國載人航太工程辦公室介紹,今年將實施6次飛行任務,完成中國空間站在軌建造。其中,長五B火箭在7月發射問天實驗艙與天和核心艙對接,10月還將發射夢天實驗艙。

  作為中國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭,長五B火箭擁有長達20.5米的國內最大整流罩,將中國火箭近地軌道運載能力由8噸提升至25噸。問天實驗艙是中國迄今為止重量最大的載荷,重量約23噸。長五B火箭成為發射問天實驗艙的最佳選擇。

  問天實驗艙需要消耗燃料實現變軌,以滿足與核心艙交會對接的要求,這會影響實驗艙其他物資搭載。為了能夠搭載更多推進劑、生活物資等,科研團隊對火箭運載能力進一步評估、折算,扔掉箭體中的“累贅”,為火箭釋放更多運載能力。

  本次任務中,長五B火箭進行零窗口發射,這也是長五系列火箭首次執行零窗口發射任務。為保證準時發射,科研團隊將部分流程前置,距離發射2.5分鐘時,火箭就已完成發射前各項準備工作,隨時可以進行發射。準時點火的同時,火箭還需精準入軌。長五B火箭應用了起飛時間偏差修正技術,最大修正時間為2.5分鐘。

問天實驗艙從19米停泊點向天和核心艙前向端口靠近的模擬圖像

  此次發射問天艙,是中國大型低溫火箭第一次執行交會對接任務,對火箭的運載能力、入軌精度和發射可靠性都提出更高要求。就像火車到站,以前乘客需要“追火車”才能找到自己的車廂,現在的高鐵都是精準停靠到地標處。

  對此,長五B團隊首先將各系統環環相扣的工作流程由“串聯”調整為“並聯”,為火箭點火前預留故障處理時間;增加起飛時間偏差修正功能,為火箭高精度入軌創造有利條件;通過全面評估,將長五B火箭的運載能力提升至不低於23噸。

  為了讓空間站艙段能夠安全“下車”,研製團隊經過近10年的努力,設計了一款圓形“座椅”,並敲定“座椅”擺放的最優位置。該“座椅”由兩條圓形隔衝框組成,內部引入“顆粒阻尼”等新技術,讓分離衝擊在顆粒體的摩擦和碰撞中,迅速地耗散動能,把衝擊降低10倍左右,感覺像坐在“沙發”上一樣舒適。據悉,這款大“沙發”也為火箭增加了100多公斤的重量,但作為中國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭,長五B火箭有足夠的運力輕鬆“駕馭”。

  從“串聯”到“並聯”、從“追火車”到“乘高鐵”、從“大包小裹”到“輕鬆上陣”,長五B火箭對標發射可靠性要求高、入軌精度要求高、運載能力要求高這三大任務特點,圓滿完成首次交會對接任務,為中國航太定格了唯美的“問天”之吻。


     來源:中新網、新華網等綜合