我国首个科学实验舱踏上问天之路

本文转自：北京日报本报记者刘苏雅昨天14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在我国文昌航天发射场准时点火发射。约秒后，问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道，发射取得圆满成功。问天实验舱是中国空间站的首个实验舱，也是国家太空实验室的重要组成部分。浩渺宇宙中，这座大型科学实验室将按照预定程序与核心舱组合体进行交会对接，完成“一”字构型。随后，神舟十四号航天员乘组将进入问天实验舱开展工作。这是中国空间站首次在有人状态下迎接航天器来访，也是首次开展舱段对接。后续，在梦天实验舱发射前，问天实验舱将择机进行转位，建立“L型”空间站组合体。太空生活条件升级问天实验舱是个“大块头”，舱体总长17.9米，直径4.2米，发射重量达23吨，和北京地铁13号线列车的一节车厢体量相当。它由工作舱、气闸舱及资源舱三部分组成，是世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。作为我国空间站的首个实验舱，它的主要任务是具备空间站组合体统一管理和控制能力，具备与核心舱进行交会对接、转位和停泊的能力；支持航天员在轨驻留，提供专用气闸舱和应急避难场所，保证航天员安全；支持开展密封舱内、舱外科学实验和技术试验。问天实验舱就位，意味着空间站添了“新居”，3位航天员的活动空间更大了。问天实验舱的工作舱是目前我国最大单密封舱体，航天员自由活动空间近50立方米，设有3个睡眠区、1个卫生区。完成对接后，中国空间站的“床位”数增加到6个。为神舟十四号、神舟十五号乘组6名航天员的“太空会师”做好准备。“新居”就位后，航天员并不会第一时间进入。航天员中心问天实验舱环控生保分系统主任设计师罗亚斌解释，航天员首次进驻前，要提前启动舱内的有害气体净化功能，测试舱内的压力、温度湿度和风速等，检查对接位置密封完好并保障压力一致平衡后，才会进入。随后，神十四乘组要开始搬家、整理。在空间站系统中，问天实验舱是舱外活动部件最多的舱体，为更精细的舱外操作提供了支持。问天实验舱气闸舱外，一套5米长、拥有7自由度的小机械臂方便抓取中小型设备，还可以与核心舱大机械臂组成15米长的组合臂，覆盖空间站的各个位置，开展更多的舱外操作。未来，组合臂将能在天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱组成的空间站三舱组合体之间爬行。长五B“零窗口”发射长征五号B遥三运载火箭由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制。火箭院长五B遥三火箭结构总体设计师王乾介绍，前期团队通过三维视觉扫描等技术进行精准仿真，优化整流罩内布局设计，保证舱段在飞行、分离过程中享有足够的安全间隙，让实验舱享受到“头等舱、坐沙发、吹空调”的待遇。太空长途旅行，最需要保障的是“准点到达”。要让问天实验舱与天和核心舱顺利交会对接，火箭发射时间必须分秒不差，做到“零窗口”。为了掐准点儿，试验队员为长五B发射上了“双保险”——优化发射流程，让火箭在发射前2.5分钟就具备随时点火发射能力；起飞时间偏差修正技术让火箭最迟可推延2.5分钟发射，能自动修正推迟发射导致的飞行偏差，将舱段精准送入预定轨道。为了保证问天实验舱安全“到站下车”，研制团队设计出一套既能固定大直径舱段，又能实现快速可靠分离的装置。但在测试中发现这套分离装置对分离面的瞬间冲击力高达3万个重力加速度，可能导致舱段内的陶瓷、光学器件损坏。于是，能够迅速耗散动能的“沙发”座椅被设计出来，实现冲击力降低10倍左右，达到国际最优水平。实验舱自带“降噪神器”在问天实验舱内部，安装有大量压气机、泵、风扇等设备。而且由于空间生命科学研究任务所需，它还搭载了“太空冰箱”等诸多设备。这些设备工作的噪声叠加在一起，构成了空间站内的复杂噪声环境。对问天实验舱进行噪声评估与治理，为航天员提供安静舒适的工作环境，是航天科技集团五院总装与环境工程部空间站力学试验团队的重要任务。试验人员在地面模拟舱内噪音源，并找出那些“嗓门”最大、影响最明显的设备，进行更精准、更严格的噪声治理。“太空冰箱”是他们盯上的治理重点——它在设计时做到了最大程度的集成，各组成部分间环环相扣，且为了保证舱内的空气质量，很多地面常用的降噪材料对其并不适用。这就要求该装置的降噪工作必须在最有限资源、最低重量、最小空间内最高效地完成。试验团队从关键环节入手，逐一解决：对关键的泵机，团队在保证制冷效率的同时，将声能输入降至最低；通过选用新型附着材料提升结构阻尼，改良箱体的声辐射效率；通过改变连接关系，改善结构传导特性。最终在没有增加体积和重量的情况下，“太空冰箱”的噪声指标降低了近20分贝。就这样，团队从细节入手，分类施策降噪。以振动为主的噪声源，穿上金属橡胶定制的松软舒适的“鞋子”；以声辐射为主的噪声源，被放在隔声较好的盒子里。最终，问天实验舱工作区噪声可保持在60分贝以下，睡眠区可保持在50分贝以下，满足相关医学标准要求。问天实验舱与核心舱组合体进行交会对接，完成“一”字构型（模拟图）。揭秘问天航天巧思保障太空家园稳定运行作为我国空间站的首个实验舱，问天实验舱中藏着不少航天人的巧思，还有不少设计刷新了中国航天新纪录。“温柔一振”获取能源问天实验舱配备了一对柔性太阳帆板，通过双自由度的对日定向机构保证其始终朝向太阳，不受太阳入射角和空间站飞行姿态的影响，总能获取到最大的能量。这对“翅膀”单侧展开面积达百余平方米，刷新了我国航天器在轨使用太阳帆板的纪录，平均每日太阳能发电量将超过度。在地面，这足够一个普通三口之家用上一个半月。柔性太阳帆板由十几万片柔性太阳电池组成。电科能源（十八所）空间能源事业部副部长于辉介绍，这些电池单板厚度不足1毫米，单位面积重量仅为传统太阳电池的50%，光电转换效率为30%以上，达到国际先进水平。不过，“柔”也意味着容易产生振动。问天实验舱和天和核心舱两个数十吨级的航天器，要在高速飞行的状态下完美对接，必须精准地控制两舱的位置、速度和姿态。“软翅膀”如果稍有抖动，就会导致对实验舱速度、相对位置和飞行姿态的控制精度严重下降。为了降低系统复杂性和在轨风险，科研人员采取太阳帆板二次展开方案，发射后先展开约五分之一的长度，待对接完成后再展开到位。空间站在轨建造完成后，天和核心舱的一个太阳帆板将转移至问天实验舱资源舱的尾部，天和核心舱将专心进行空间站管理工作，而问天实验舱将成为名副其实的“主发电站”，为组合体源源不断地供电送能。尿处理子系统液体循环利用率达80%空间站的环控生保系统可以将航天员排出的二氧化碳、尿液、水汽等废物转化成为饮用水、氧气等物质，实现空间站水资源的循环再利用。在本次发射任务中，全套环控生保系统、出舱活动支持设备等作为天和核心舱的备份系统一同进入太空。环控生保尿处理子系统是空间站内水资源循环利用的重要环节，被誉为“超级净水器”，该技术也是国际公认的难题。中国航天科工二院所尿处理子项目负责人崔广志介绍，在太空环境下，航天员体内的钙元素会出现流失，尿液中钙含量增加。而空间站的尿处理子系统采用加热的方式回收蒸馏水，过程中容易出现结晶，堵塞系统管路。科研人员经过多方尝试，综合考虑处理效果和维修便利等因素，采取吸附方式先行去除钙离子。在地面进行蒸馏时，水蒸气冷却后会自行凝结聚集，但太空的微重力环境会使得蒸馏出的水漂浮在容器中。崔广志说，要想成功将其回收，需要通过离心装置把水滴与空气分离，以得到高品质的再生水。首套尿处理子系统已跟随天和核心舱在轨运行一年有余，该系统的液体循环利用率可达80%以上，设备稳定运行近千小时。在后续长期运营阶段，天和核心舱中的尿处理子系统将作为主份，按照工作节律正常运行，问天实验舱尿处理子系统作为备份，共同为航天员长期驻留太空提供重要保障。舱内模拟图。热点回应为何一定要到太空做实验？今年，我国将完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的T型天宫空间站建造，建成国家太空实验室，支持开展长期、多领域、大规模空间科学与应用研究。在太空中“大兴土木”做实验，是因为太空能提供长期的微重力、辐射等特殊研究环境，可供科学家探究特殊的物理现象。中科院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟举例说，由于太空中沉淀和分层现象基本消失、压力梯度极大减小，可生产出没有缺陷、性能优良的材料。同时，中国空间站长期有人在轨驻留，便于实验操作和设备的维修、维护、升级，样品模块还可通过天地往返运回地面，进行深入研究。问天实验舱应用任务以生命科学和生物技术研究为主，目前已在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等四个领域规划部署了10余个研究主题，立项40余项科学项目，待空间站建成后，将持续论证、滚动实施相关科学项目。中科院空间应用中心研究员、空间应用系统副总师吕从民表示，为保证科学任务顺利开展，不断产出科学成果，空间应用系统在问天实验舱部署了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱与低温存储柜、变重力科学实验柜等科学实验设施，并配置了舱内外应用任务共用支持设备，联合支持科学项目在轨顺利实施。在已部署的实验柜中，生命生态实验柜将以水生生物、小型模式动物等为实验样品，开展拟南芥、线虫、果蝇、斑马鱼等动植物的空间生长实验；科学手套箱提供了洁净密闭空间和温湿度环境控制，配置灵巧机械臂，具备细胞级精细操作能力；低温存储装置则是我国首台“太空冰箱”，集成了3个冷冻冷藏区，既可以对样品进行4摄氏度保鲜，也可进行零下20摄氏度、零下80摄氏度冷冻。在问天实验舱外壁还设置有集中开展舱外暴露实验的暴露平台。在未来的实验中，样品的转移将实现主要通过舱外机械臂进行操作、回收，这样既灵活、快速、高效，也降低了航天员的工作强度和工作风险。后续，我国还将发射巡天空间望远镜，与空间站共轨飞行。其拥有2米口径，成像质量与哈勃望远镜相当，但视场则变大了倍，能巡视42%的天区面积，还可以“紧盯”一个方向进行多色极深度成像观测。

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