中國空間站再添“新房”——問天實驗艙技術亮點解讀
■韓阜業 溫永至 譚仁煒
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，在我國文昌航天發射場準時點火發射。約495秒后，問天實驗艙與火箭成功分離并進入預定軌道，發射取得圓滿成功。
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，中國航天人也在向世界傳達著這樣一個決心：“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”大致相當于一節地鐵車廂
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，發射重量達23噸，相關指標高于天和核心艙，“體型”大致相當于一節地鐵車廂，是全世界現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”。結構上，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”，航天科技集團五院空間站結構與機構設計團隊在工作艙研制過程中，開展了大量人性化設計——通過可翻轉式柜門設計，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景；獨立衛生區進一步提升了私密性……此外，為了讓密封艙更加堅固耐用，能夠按照在軌設計壽命穩定運行，設計人員還在艙壁上設計了如同“金絲軟甲”一般的防護結構。
問天實驗艙攜帶8個實驗機柜、22個艙外載荷適配器，仿佛把一個大型科學實驗室搬到了太空。航天員出了“臥室”就能“上班”，可以在太空開展大規模的空間科學實驗。
為了更好地開展空間科學實驗，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，高密度集成3個冷凍冷藏區，其中包括一個溫度可達零下80攝氏度的深冷環境。
據了解，空間站對設備材料的選擇有嚴格要求，這就導致很多地面常用的降噪材料不適用于空間站。因此，在問天實驗艙內，“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境，科研人員在消聲室內搭建了一個測試平臺，攻克了復雜系統帶來的傳遞路徑繁瑣這一問題。在千絲萬縷的關聯中，科研人員找到了幾個關鍵環節。他們對泵機進行了開創性設計，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，提升結構的阻尼，改良箱體的聲輻射效率……就這樣，每個細節都做到極致，每個設計都想到極限，“航天冰箱”在不改變體積的情況下，噪聲指標竟然降低了近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急避難場所，讓中國空間站的在軌運行風險更加可控，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“翱翔”
空間站三艙雖統一設計，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，問天實驗艙有著強大的能源管理系統。
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研制的最大面積可展收柔性太陽翼，單翼全展開狀態下最長達27米，展開面積可達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“高可靠可重復展收”的硬核技術，問天實驗艙太陽翼在太空中收放自如、剛柔并濟，時刻確保電力“在線”。
此外，在半剛性太陽帆板控制基礎上，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“翱翔”。
此前，我國航天器大多使用半剛性太陽帆板，2021年發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”都可能對航天任務造成致命影響。
這就好比兩個人用扁擔挑水——會挑水的人，健步如飛的同時巧妙調整身體起伏頻率和幅度，進而控制肩上扁擔的顫動，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的技巧，致使扁擔上下抖動嚴重，水桶晃動厲害，行走速度也受扁擔影響而忽快忽慢。回到家時，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，控制航天器的姿態來抑制振動。雖然調整的幅度很小，發揮的作用卻很大。首先，他們通過攝像機觀察等手段，識別柔性太陽帆板的振動參數。然后，計算機通過相應的算法來確定航天器需要做出的姿態調整，并將命令下達給負責調整航天器姿態的執行機構。
雖然研制人員對國外抑制太陽帆板振動的技術細節知之甚少，但從實際控制效果來看，我們自主創新設計的這種控制方法，更適合中國航天器的“體質”。
空間站在軌建造完成后，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。這樣一來，天和核心艙將“專心致志”進行空間站管理工作，問天實驗艙將成為名副其實的“主發電站”，為組合體源源不斷地供電送能。
問天實驗艙艙內配置了多種科學實驗設施，就像把一個大型科學實驗室搬到了太空
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。外方內圓的它，是空間站系統唯一一個看上去是方形的艙體。里面的圓柱狀結構，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的主要出艙通道。
出艙氣閘有一個直徑達1米的大門。航天員從這里進進出出，不僅更加方便，而且還能攜帶大個頭的設備出艙工作，艙外工作能力大大提升。
問天實驗艙是空間站系統中艙外活動部件最多的艙體，大量的艙外設施設備更好地保障了出艙活動，也為更精細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個標準載荷接口。未來，空間站搭載的科學實驗載荷，可以通過機械臂精準“投送”到自己對應的標準載荷接口位置，“即插即用”，航天員不需要出艙進行人工操作了。
實施精準“投送”的機械臂，是問天實驗艙攜帶的一套5米長的“小臂”。這套有著7自由度的機械臂小巧、精度高，方便抓取中小型設備，進行更為精細的操作。“小臂”還可以與核心艙的“大臂”聯成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、多領域、大規模空間科學與應用研究。
載人航天工程空間應用系統副總師、中科院空間應用中心研究員呂從民介紹，問天實驗艙以生命科學和生物技術研究為主，在空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、空間材料科學、空間應用新技術試驗等領域規劃部署了研究主題。通過這些科學項目的實施，關注生命生長發育和人的健康，探索人類長期太空生存所面臨的一系列科學問題。
問天實驗艙的艙內配置了生命生態實驗柜、生物技術實驗柜、科學手套箱與低溫存儲柜、變重力科學實驗柜等科學實驗設施，就像把一個大型科學實驗室搬到了太空。
其中，兩個生命科學實驗柜和變重力科學實驗柜是開展科學實驗的場所；科學手套箱為航天員精細操作科學樣品提供安全、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”“養魚”。呂從民說，生命生態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、發育、代謝的影響，促進人類對生命現象本質的理解。
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
此次發射是中國空間站進入建造階段后的第三次發射，也是這一階段首次在有人狀態下迎接航天器來訪。
7月17日，天舟三號貨運飛船完成全部既定任務，撤離空間站組合體。天舟三號撤離前停靠的對接端口，是空間站核心艙的前向對接口，也是問天實驗艙的對接口。所以問天實驗艙發射之前，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，順利完成狀態設置，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交會對接，也是我國空間站有航天員在軌駐留期間首次進行交會對接。
如此大場面，“身經百戰”的對接機構依然“駕輕就熟”。由于設計先進、安全可靠，對接機構完全可以適應未來空間站建造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在軌飛行，“養精蓄銳”迎接下一次大動作。
據介紹，在軌期間，問天實驗艙將完成我國首次在軌大慣量轉位動作——通過平面轉位90度，讓原本對接在節點艙前向對接口的問天實驗艙轉向節點艙的側向停泊口并再次對接，從而騰出核心艙的前向對接口，為夢天實驗艙的到訪做好充分準備。
這將是我國首次航天器在軌轉位試驗，也是國際上首次以平面式轉位方案進行航天器轉位的探索嘗試。轉位過程中，問天實驗艙將上演一場驚心動魄的“太空泊車”大片。
問天實驗艙轉位成功，是后續夢天實驗艙發射的前提。夢天實驗艙就位后，空間站運營階段任務才能隨之開啟，天宮空間站才能真正宣告成功。
據航天科技集團五院空間站任務總設計師楊宏介紹，天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙，整體呈T字構型。也就是說，三艙位于同一平面，兩個尺寸、質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米長的結構，結合各自配置的雙自由度太陽翼驅動機構，兩對大型太陽翼成為“T”字一橫遠端的兩個“大風車”。不管空間站以何種姿勢飛行，太陽翼都能高效發電。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，在這個對稱關系中仍然保持著前、后、下三向對接的能力——后向對接貨運飛船，使得組合體可以直接利用貨運飛船的發動機進行軌道機動；前向、徑向兩個對接口不僅可以接納兩艘載人飛船實現輪換，而且可讓載人飛船在軌道面內沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無需對接后再轉換對接口。
對于航天任務流程而言，這樣的“百變金剛”既美觀又安全。