11月3日9時(shí)32分，中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，標(biāo)志著中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成，向著建成空間站的目標(biāo)邁出了關(guān)鍵一步。
中國(guó)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(gè)神舟飛船乘組的參與和3艘天舟貨運(yùn)飛船的保障下，中國(guó)空間站完成了關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接與轉(zhuǎn)位等工作，做好了接納夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的準(zhǔn)備。作為中國(guó)空間站第3個(gè)大型艙段，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙作用關(guān)鍵，很多技術(shù)特點(diǎn)值得品味。
三艙互補(bǔ)各有分工
(資料圖片僅供參考)
中國(guó)空間站在分析借鑒國(guó)外空間站的設(shè)計(jì)理念及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，突出強(qiáng)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(jì)、統(tǒng)籌研制、集成驗(yàn)證，通過(guò)3次發(fā)射完成在軌組裝建造。換句話(huà)說(shuō)，3個(gè)艙段都是不可或缺的，通過(guò)各自資源、能力的集成，共同構(gòu)成了性能強(qiáng)大、功能完整的70噸級(jí)“天宮”。這種創(chuàng)新實(shí)踐使得中國(guó)空間站能夠在適度規(guī)模條件下取得更高的研制效益，實(shí)現(xiàn)高效率資源利用和更強(qiáng)的系統(tǒng)冗余。
為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期載人可靠飛行并開(kāi)展有人參與的多領(lǐng)域空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)，中國(guó)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(gè)艙段。
其中，天和核心艙負(fù)責(zé)空間站平臺(tái)的統(tǒng)一管理和控制，并作為目標(biāo)飛行器支持來(lái)訪飛行器交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位與停泊。由于天和核心艙是第一個(gè)發(fā)射并獨(dú)立運(yùn)行的空間站艙段，它擁有完備的平臺(tái)功能和少量載荷支持能力。
今年7月24日發(fā)射的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙可以對(duì)天和核心艙平臺(tái)功能進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)備份，具備對(duì)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(zhuān)用氣閘艙和應(yīng)急避難場(chǎng)所，還支持開(kāi)展密封艙內(nèi)、艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。
本次發(fā)射的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙具備平臺(tái)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(kāi)展艙內(nèi)及艙外空間實(shí)（試）驗(yàn)提供保障條件。相比更早發(fā)射的兩個(gè)空間站艙段，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)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(dòng)進(jìn)出艙。
由上述功能分配可見(jiàn)，中國(guó)空間站不同艙段功能各有側(cè)重，既能相互補(bǔ)充，又具備適度冗余。順次發(fā)射的三艙在平臺(tái)功能上逐個(gè)減弱，而在載荷支持能力上越來(lái)越強(qiáng)。這體現(xiàn)了空間站建造的工程思路：在首先保證平臺(tái)安全的同時(shí)逐步擴(kuò)展載荷保障能力，邊建造邊運(yùn)行。
撐起能源供應(yīng)“半壁江山”
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙和問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的外部輪廓特征、尺寸基本一致，同為23噸級(jí)大型載荷。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙分別位于天和核心艙左右兩側(cè)，共同形成對(duì)稱(chēng)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(dòng)阻力均做到了左右對(duì)稱(chēng)，這對(duì)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(jī)動(dòng)時(shí)，利用天和核心艙或者對(duì)接在其后的貨運(yùn)飛船主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施軌道控制，推力矢量正好處于對(duì)稱(chēng)軸線上，更高效可靠。
由于T字構(gòu)型組合體布置在同一平面，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙相向布置，加之各有近20米結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，各自尾端的太陽(yáng)翼就被拉開(kāi)約40米間距，使得兩對(duì)太陽(yáng)翼在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受遮擋影響很小。在夢(mèng)天艙對(duì)接并轉(zhuǎn)位到位后，中國(guó)空間站基本構(gòu)型的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)將完全形成并充分施展。
同時(shí)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的太陽(yáng)帆板完全一致，均配置了雙自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。也就是說(shuō)，太陽(yáng)帆板既能在太陽(yáng)高度角方向上、也能在方位角方向上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，總是保持與太陽(yáng)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(shì)下，酷似“大風(fēng)車(chē)”的太陽(yáng)帆板將成為中國(guó)空間站的主要發(fā)電來(lái)源。通過(guò)供電并網(wǎng)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(lái)的巡天光學(xué)艙?？梢哉f(shuō)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)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(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接轉(zhuǎn)位后，自身資源融入三艙組合體?？臻g站完成了繼問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙組裝后的又一次系統(tǒng)集成，具體可分為5個(gè)方面。
在控制系統(tǒng)方面，夢(mèng)天艙控制總線與空間站組合體并網(wǎng)，本身控制計(jì)算機(jī)不再當(dāng)班工作。夢(mèng)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(jī)構(gòu)（包括所有發(fā)動(dòng)機(jī)）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(shí)現(xiàn)大聯(lián)合，平臺(tái)總線、載荷以太網(wǎng)及其配備的WiFi均完成并網(wǎng)?？臻g站三艙平臺(tái)和載荷信息實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。
這就帶來(lái)了兩個(gè)顯著的好處。其一，不論設(shè)備安裝在哪個(gè)艙，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和管理是無(wú)差別的，載荷用戶(hù)對(duì)不同位置設(shè)備的監(jiān)視管理過(guò)程也是無(wú)感知的，有利于實(shí)現(xiàn)整站載荷資源的統(tǒng)一分配和動(dòng)態(tài)管理。其二，三艙配置的中繼終端均可用于天地測(cè)控，平時(shí)可以規(guī)劃使用1～2個(gè)，延長(zhǎng)設(shè)備在軌使用壽命，需要時(shí)進(jìn)行接力通信，實(shí)現(xiàn)天地測(cè)控在切換中繼星時(shí)無(wú)縫銜接。此模式已在今年10月12日進(jìn)行的問(wèn)天艙首次太空授課中應(yīng)用，夢(mèng)天艙無(wú)疑能進(jìn)一步增強(qiáng)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(gè)實(shí)驗(yàn)艙將承擔(dān)平臺(tái)和載荷的大部分用電。到時(shí)候，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙可以跨艙進(jìn)行能源調(diào)配，并通過(guò)熱控散熱回路連通，實(shí)施與能源供應(yīng)匹配的散熱能力調(diào)配。
打個(gè)比方，如果夢(mèng)天艙載荷啟動(dòng)較多，僅靠本艙發(fā)電，可能缺電1千瓦，那時(shí)就可以從問(wèn)天艙調(diào)配1千瓦電進(jìn)入供電網(wǎng)；同時(shí)，夢(mèng)天艙可以將自己多產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)絾?wèn)天艙，通過(guò)問(wèn)天艙的輻射器安全排散。這樣，通過(guò)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可調(diào)。
在載人環(huán)境方面，夢(mèng)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(dòng)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(jī)械臂應(yīng)用方面，夢(mèng)天艙外壁同時(shí)配置了大小機(jī)械臂的“腳印”，空間站的大小機(jī)械臂都可以在夢(mèng)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(jī)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(shí)，航天員通過(guò)天和核心艙的操作臺(tái)就可以操控機(jī)械臂在夢(mèng)天艙外運(yùn)行。
上述各方面的設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，讓夢(mèng)天艙在既能適應(yīng)單艙獨(dú)立飛行，又能保證空間站組合體長(zhǎng)期運(yùn)行。
夢(mèng)天艙之所以能與其他艙段完美兼容，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果。夢(mèng)天艙的制導(dǎo)與導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)、信息管理計(jì)算機(jī)、測(cè)控設(shè)備、電源設(shè)備等都是三艙通用產(chǎn)品，通過(guò)配備個(gè)性化軟件，完成在夢(mèng)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(jí)設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一研制規(guī)劃，統(tǒng)籌開(kāi)展試驗(yàn)和鑒定，提高了研制效率和驗(yàn)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(duì)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(wàn)一個(gè)別設(shè)備遭遇故障，或某個(gè)設(shè)備因姿態(tài)等原因遭遮擋而無(wú)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(shí)，系統(tǒng)集成與重構(gòu)也是可逆的。在極端情況下，假如整個(gè)夢(mèng)天艙發(fā)生故障，它與空間站組合體的聯(lián)系可以被暫時(shí)切斷。用算式比喻，三艙以“（1+1）+1”的模式運(yùn)行，等排除故障后，再恢復(fù)“（1+1+1）”運(yùn)行。
“個(gè)性”鮮明優(yōu)勢(shì)獨(dú)特
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的主要任務(wù)包括：在軌完成與天和核心艙交會(huì)對(duì)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(kāi)展艙內(nèi)及艙外空間實(shí)（試）驗(yàn)提供保障條件；提供貨物氣閘，實(shí)現(xiàn)載荷與設(shè)備自動(dòng)進(jìn)出艙等。通過(guò)精心設(shè)計(jì)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙具備一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
優(yōu)勢(shì)之一，三艙中載荷支持能力最強(qiáng)。
夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙包括工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙，軸向長(zhǎng)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(kāi)式載荷試驗(yàn)平臺(tái)，需發(fā)射后在軌展開(kāi)。
在艙內(nèi)載荷方面，相比天和核心艙的4個(gè)、問(wèn)天艙的8個(gè)機(jī)柜空間，夢(mèng)天艙提供了13個(gè)機(jī)柜空間。除若干機(jī)柜隨艙發(fā)射外，夢(mèng)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(mèng)天艙創(chuàng)新設(shè)計(jì)了獨(dú)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(duì)天、對(duì)地方向都配置了可展開(kāi)的暴露平臺(tái)。
這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有4個(gè)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(guò)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(tái)在發(fā)射時(shí)是關(guān)閉狀態(tài)，使得整個(gè)載荷艙形成一個(gè)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(qiáng)度，以承受發(fā)射階段的載荷條件。
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(kuò)大了載荷適配器安裝面積。夢(mèng)天艙在空間站上轉(zhuǎn)位到位后，暴露平臺(tái)打開(kāi)，不僅露出了氣閘艙的出艙口，而且平臺(tái)內(nèi)表面翻開(kāi)朝外，擴(kuò)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(tái)展開(kāi)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(duì)天或正對(duì)地的朝向。多數(shù)艙外載荷因試驗(yàn)?zāi)康亩邪惭b朝向要求，對(duì)天與對(duì)地是需求最多的方向。
優(yōu)勢(shì)之二，更高效地保障大型載荷出艙。
夢(mèng)天艙貨物氣閘艙與天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙、問(wèn)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(zhuān)用設(shè)施進(jìn)行配置和應(yīng)用，其突出強(qiáng)項(xiàng)是自動(dòng)化水平高，更適應(yīng)大尺寸載荷進(jìn)出艙。
為實(shí)現(xiàn)載荷進(jìn)出艙全自動(dòng)化，夢(mèng)天艙貨物氣閘艙的出艙艙門(mén)為電動(dòng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，不需要航天員現(xiàn)場(chǎng)操作。艙內(nèi)配置了自動(dòng)轉(zhuǎn)移機(jī)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)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(dòng)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上；航天員撤離貨物氣閘艙，回到工作艙并關(guān)門(mén)；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將載荷送出艙；機(jī)械臂抓住并帶走載荷；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)撤回艙內(nèi)；出艙艙門(mén)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(mén)；貨物氣閘艙泄壓；出艙艙門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)伸出艙外；機(jī)械臂將載荷放置在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的適配器上；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將載荷收回艙內(nèi)；關(guān)閉出艙門(mén)，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(guò)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(xiǎn)，也延長(zhǎng)了航天服使用壽命。未來(lái)航天員出艙活動(dòng)將更加專(zhuān)注于必要的艙外裝配、維修等工作。
此外，夢(mèng)天艙貨物氣閘艙的出艙艙門(mén)及連通工作艙的艙門(mén)均采用了大尺寸的方形艙門(mén)。在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂配合下，航天員不便搬運(yùn)的載荷可以被迅速送出艙外或接回艙內(nèi)。這對(duì)于未來(lái)大型艙外設(shè)施維修維護(hù)等保障工作是非常有利的。
優(yōu)勢(shì)之三，“艙內(nèi)外過(guò)渡”應(yīng)用拓展。
載人航天活動(dòng)的重要目的之一是發(fā)揮人在現(xiàn)場(chǎng)的作用，既包括航天員處置問(wèn)題時(shí)的主觀能動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用工具，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)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。
自動(dòng)化貨物氣閘艙正好提供了一個(gè)“艙內(nèi)外過(guò)渡”的工作間。大型載荷部件在此進(jìn)行裝配和測(cè)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(gè)工作間具備了現(xiàn)場(chǎng)裝配微小衛(wèi)星并釋放的潛力。
綜合來(lái)看，夢(mèng)天艙補(bǔ)充并增強(qiáng)了空間站的綜合能力，提高了系統(tǒng)可靠性。其“個(gè)性化”能力則進(jìn)一步強(qiáng)化了空間站的“太空母港”作用，對(duì)于載荷的保障能力更強(qiáng)，也將拓展有人參與的航天飛行與在軌工作模式。
未來(lái)，我國(guó)獨(dú)立掌握了近地空間長(zhǎng)期載人飛行技術(shù)，具備了長(zhǎng)期開(kāi)展近地空間有人參與的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)的能力，將有望綜合開(kāi)發(fā)利用太空資源，為人類(lèi)和平利用太空作出開(kāi)拓性貢獻(xiàn)。
標(biāo)簽： 中國(guó)空間站 載人航天
