□ 本报记者 陈丽平 廉颖婷
中国空间站迎来最后一个主体舱段。
10月31日,在我国文昌航天发射场,长征五号B遥四运载火箭成功发射空间站梦天实验舱。
梦天实验舱是我国空间站第二个科学实验舱,在轨组装完成后,梦天实验舱将与空间站天和核心舱、问天实验舱形成“T”字构型组合体,实现控制、能源、信息、环境等功能的融合使用,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”。
可以说,天宫空间站是我国未来10年规模最大的空间综合性研究实验平台,我国将把它建成水平先进的国家太空实验室。
梦天实验舱长啥样
梦天实验舱由工作舱、载荷舱、货物气闸舱、资源舱四个舱段组成,舱体全长17.88米,直径4.2米,发射质量约23吨,由中国航天科技集团有限公司(以下简称航天科技集团)八院研制,主要面向微重力科学研究。
据中国科学院空间应用中心研究员、空间应用系统副总设计师刘国宁介绍,中国科学院研制了空间科学研究与应用领域的超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜7个方面的8个科学实验柜,支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究,以及超冷原子物理等前沿实验研究等。
此外,梦天实验舱应用了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,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,在资源与空间受限的情况下实现了X射线的完全屏蔽,是具有历史意义的科学装置。
图为中国空间站效果图。
梦天实验舱与问天实验舱相比有什么不同?
梦天实验舱与问天实验舱的任务分工和定位不同,两者在配置上既有相似又有不同。
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“问天”舱的再生生保以及睡眠区、卫生区。但两个舱段均配置有航天员的锻炼设备,梦天实验舱配置的是抗阻锻炼设备,类似健身房的划船机。
从总体构型来看,梦天实验舱的肚子更圆,它由四个舱段组成,并采用了独特的“套娃”设计。工作舱通过对接机构与天和核心舱相连,主要是航天员舱内工作与锻炼的地方,也是舱内科学试验机柜安装的地方。载荷舱与货物气闸舱则是以“双舱嵌套”的形式与工作舱相连,也就是说,在载荷舱的内部,隐藏着一个货物气闸舱,主打货物出舱专用通道。最前端的是资源舱,也是对日定向装置和柔性太阳翼等安装的地方。
图为梦天实验舱。
从支持应用任务来讲,梦天实验舱作为工作室,是两个舱中支持载荷能力最强的舱段,其配置了13个标准载荷机柜,可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿试验项目,堪称天宫“梦工场”。
同时,为了最大化实现舱外试验支持能力,梦天实验舱舱外配置有37个载荷安装工位,可为各类科学实验载荷提供机、电、信息等方面的能力支持,确保它们在太空环境下开展各类实验。特别是载荷舱上配置有两块可在轨展开的暴露载荷实验平台,进一步增强了空间站的载荷支持能力。
“螺蛳壳里做道场”
梦天实验舱肩负着支持更强科学实验的使命,为确保顺利完成使命,一系列黑科技被应用在梦天实验舱上。
与问天实验舱一样,梦天实验舱也拥有一个气闸舱。但不同的是,梦天实验舱的气闸舱不再作为航天员出舱使用,而是一条专供货物出舱的通道。如果将问天实验舱的气闸舱比作“国际机场”的话,那么梦天实验舱上配置的货物气闸舱,就是空间站的“国际货运港口”。通过这个“港口”,我国空间站的载荷自动进出舱技术、小卫星在轨释放等一系列全新技能将首次亮相,实现货物、载荷在空间站舱内外的全自动交互,不仅送得出、接得入,还运得快、行得稳。
图为科研团队与梦天实验舱合影。
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。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。与航天员“带货出舱”的方式相比,货物出舱能力得到进一步提升,减少了航天员出舱和航天服使用次数,有效提高了载荷进出舱效率,降低了载荷进出舱成本。
“载荷转移机构可以实现货物的自动进出功能,小小的空间发挥大大的效能,这是‘螺蛳壳里做道场’。”航天科技集团八院空间站梦天实验舱计划经理刘慧颖说。
载荷转移机构还催生了一项特别的任务,那就是梦天实验舱可以支持在轨释放微小卫星,让小卫星“飞”。梦天实验舱专门配置了微小卫星在轨释放机构,在载荷转移机构与机械臂的配合下,能够满足百公斤级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求,解决微小卫星和立方星低成本进入太空的问题。
“空间站化身为母港,既可以释放百公斤级的微小飞行器,也可以释放多个规格的立方星,提供了火箭发射以外的另一个渠道,微小飞行器可以更加低成本进入太空了。”刘慧颖说。
同时,为满足将来更大尺寸、更大重量货物的进出舱需求,梦天实验舱的货物气闸舱上还安装了一款独一无二的方形舱门。舱门采用全自动弧形滑移设计,可以为货物的进出舱提供一条宽阔的走廊,也是隔离舱内与舱外空间环境的关键设备,这是我国空间站首次亮相的方形自动舱门。
直接和宇宙见个面。梦天舱在I、III象限均配置了有源驱动展开式暴露平台,在III象限增配了固定式暴露平台,可为中小型标准载荷提供机、电、热、信息等支持。
对日定向装置、天地一体化通信网络、在轨以太网技术、仿真体系建设、对接转位技术……一系列技术在梦天舱上发挥着无可替代的作用。
23吨庞然大物如何转身
此次任务,除了与天和核心舱组合体实施交会对接外,梦天实验舱还将进行太空转位,实现“T”字构型,即从核心舱前向对接口转移到侧向对接口,实现这一转位功能的产品正是由航天科技集团八院149厂生产、总装的转位机构。中国空间站将再次演绎完美的“太空转身”。
转位的第一步是进行对接,也就是通过转位机构将梦天实验舱和天和核心舱连接起来。梦天实验舱上的转位机构采用的是锥杆式对接方式。团队在转位机构转臂的前段设置了一个捕获杆,捕获杆如同花蕊一般被包裹在三个导向片形成的“花瓣”中。当捕获机构向基座靠近时,两个产品的六个导向片将进行初步定位。随后,如花蕊般的锥杆由驱动组件推出,在拉簧组件的配合下,使其能够在一定范围内摆动,保证了与基座连接锁定的自适应性。这样的结构设计能够让转位机构具备完美的捕获、对接能力。
图为10月31日,搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭在我国文昌航天发射场点火发射。 屠海超 黄国畅 胡煦劼 摄 本版图片除署名外均由航天科技集团八院提供
梦天实验舱从天和核心舱前向对接口转移到侧向对接口,并非像我们转身一样简单。如何让150公斤的转臂平稳带动约23吨的梦天实验舱顺利实现转身呢?梦天实验舱转臂上安装了两个驱动部件——关节驱动机构,这就像我们手臂的两个运动关节一样,靠近梦天实验舱端的是“肩关节”,另一个则是与捕获机构相连的“腕关节”。在两个“关节”工作时,它们必须做到从加速到匀速阶段的平稳过渡,从而确保运动过程中的稳定性。
为了让梦天实验舱能够具备大惯量负载下的转动能力,此次转位过程中采用了舱体停控模式,即在转位时通过“肩关节”做一次启停,“腕关节”做两次启停,从而实现平稳转向。
