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“梦”见天宫——揭秘梦天实验舱及研制历程

中国空间站 少年航天局 梦天实验舱
中国航天报

“ ,一,L,T……”
从“空白”到“一”字构型,又到L字构型,再到即将形成的T字构型,这几个简单的符号,是载人航天工程30年的心血。从“921工程”立项到今天梦天舱成功发射,中国载人航天工程终于要写到第三个故事的终章了。

长征五号B火箭托举梦天舱升空。宿东 摄

“梦天”,是最后出现的主角之一。

“螺蛳壳里做道场”

梦天实验舱由工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱4个舱段组成,舱体全长17.88米,最大直径4.2米,发射质量约23吨,配备的大型柔性太阳电池翼发电功率可达13.5千瓦,展开面积达138平方米。舱内配置13个标准载荷机柜,舱外配置37个载荷安装工位,支持在空间站开展科学实验的能力更强。

这是官方介绍的“梦天”,但“梦天”的背后还有个鲜为人知的故事。
2012年5月23日,国家在空间站系统相关分工定点的批复中明确,中国航天科技集团八院负责空间站实验舱II总体研制工作。方案伊始,实验舱II叫巡天光学舱,彼时巡天望远镜只是该实验舱的组成部分。但由于空间站运行过程中多余物、振动、调姿态、轨控等因素会干扰望远镜运行,巡天望远镜的观测指向又会对空间站运行产生干扰,二者互相矛盾。

后经我国航天实力提升和多重考虑,巡天望远镜从该实验舱中独立出去,与空间站伴飞。

这是个两全其美的事情,但打了梦天实验舱团队一个措手不及。这意味着他们之前的设计面临着大面积改动,甚至是推翻重来。沉没成本和任务时间节点在即的双重压力让团队的每个人都陷入沉思。
“经过重新设计,我们将‘梦天’定位为航天员工作的地方,支持在舱内外开展各种科学实验。”八院805所高级工程师、主任设计师樊萍说。

科研团队与梦天舱合影。八院供图

新方案在维持原有结构构型和平台功能不变的基础上,创新性提出了“货物气闸”功能,增加了货物进出气闸舱,巧妙地采用嵌套式结构构型,“三舱”变“四舱”。

重新设计的“梦天”工作舱在最前端,通过对接机构与核心舱相连,面向微重力科学研究,配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理及航天技术试验等多学科方向共13个实验柜,并为航天员提供了近32立方米的“梦工场”工作室。载荷舱与货物气闸舱则是采用独特的“双舱嵌套”形式相连,即在载荷舱内部隐藏着一个货物气闸舱,“主打”货物出舱专用通道。在最前端的资源舱,则是对日定向装置和柔性太阳翼等安装的地方。

“新设计的实验舱还解决了大尺寸载荷无法从气闸舱出舱的难题,用上海话讲,就是‘螺蛳壳里做道场’。”梦天实验舱计划经理刘慧颖说。他们还为载荷舱配备了两块展开式暴露平台和一块内嵌的固定式暴露平台,足足有15平方米,可配置数量众多的舱外暴露载荷点位。
可以说,如今的“梦天”,是我国建成世界先进水平的国家级太空实验室的最大助力。

“以货为主”和“以人为本”

载人航天的核心是人。

开展载人航天的重要目的之一,是发挥人在现场的作用,如处置问题的主观能动性及人类精巧的操作能力。但在舱内和舱外,人的工作能力,尤其是精细操作能力,差别很大。

在舱外活动时,受舱外航天服和手套的限制,人的观察效果、操作空间及工具使用能力等均受到极大限制,即便在进行专门设计且采用专用工具的条件下,也远远无法达到舱内作业的精准水平。而在舱内,可以说,只要工具合适,在地面能进行的工作,航天员在轨都可完成。

近看梦天舱。八院供图

于是,“梦天”提供了独特的货物自动进出舱功能,在太空中为航天员创造了更合适的工作条件,做到“以货为主,却以人为本”。

与问天实验舱不同,“梦天”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。在这之前,一般是通过航天员“出舱带货”进行舱内外货物的转移、安装,但这种方式往往会受到航天员出舱次数、载荷数量与大小的限制,而且航天员频繁进行出舱活动还将面临空间环境中更为复杂的安全考验。

“梦天”的货物气闸舱采用“内舱门+外舱门”双门设计:通往工作舱的内舱门,是隔离舱内与舱外空间环境的关键设备;面向地球一侧的外舱门,则是货物通往舱外的出舱口。为了保障航天员在轨安全,内外两道舱门不会同时开启。

以货物出舱任务为例,航天员在舱内将载荷设置好,安装在自动转移机构上;人员撤离气闸舱,回到工作舱并关门;气闸舱泄压;开出舱舱门,转移机构将载荷送出舱;机械臂抓住并带走载荷;转移机构撤回舱内;人员可进入气闸舱开展正常工作。

“载荷转移机构的运送能力达到400公斤,单次运送货物包络尺寸可达1.15米×1.2米×0.9米。”刘慧颖说。

应用货物气闸舱之后,将不再需要航天员着舱外航天服送载荷出去或接回,极大地降低了此类操作的安全风险,还能延长航天服的使用寿命。

室内的梦天舱与现场工作人员。

自动气闸舱正好提供了一个舱内外过渡的工作间,可以将大型载荷的部件在此进行装配和测试后,整体送出舱外。舱外的载荷也可以先搬到这里,经过复压后,由航天员以舱内操作的方式进行拆解、维修、维护等工作。

更进一步,航天员还可以在梦天舱内装配微小卫星,并由机构转移至舱外释放。

“‘梦天’可支持36U立方星或百公斤级微卫星在轨组装并自动释放。”空间站梦天实验舱机械总体主任设计师李立春说,“1U的体积是10厘米×10厘米×10厘米,大概一个手掌可以抓住。”

“1+1+1=1”

空间站三舱系统统一,是我国空间站的独特优势。

继“天和”“问天”之后,“梦天”一旦转位对接并完成系统集成,将使中国的天宫空间站再次产生质的飞跃。

纵观世界上的空间站,和平号空间站舱段布置于多个平面,太阳翼遮挡问题突出。而整个国际空间站非常依赖星辰号服务舱这个核心舱进行姿轨控,一旦该舱出现问题,整体将很受影响。

天宫空间站在分析借鉴和平号空间站、国际空间站的设计理念及经验、教训基础上,突出强调空间站三个舱段的系统统一。舱外活动有双气闸舱备份,姿轨控有“天和”和“问天”备份,“梦天”也可以在关键功能方面进行备份。三舱分布在同一平面,保证太阳翼不发生遮挡问题……通过3次发射分步实施,在轨完成组装建造,形成功能强大、完整的70吨级“天宫”,在适度规模的条件下可以取得较高的研制效益,获得高效率的资源利用和更强的系统冗余。

中国空间站T字构型效果图。八院供图

“梦天”对接转位后,将用一周左右时间把自身资源融入空间站组合体,与空间站其它两舱实现控制、能源、信息、环境等功能的并网管理。届时,空间站将完成继“问天”组装后再一次系统集成。

一方面,系统集成后,三舱能源并网后统一管理,两个实验舱可以跨舱进行能源调配,并通过热控散热回路连通,实施与能源供应匹配的散热能力调配。

例如,如果“梦天”载荷启动较多,仅靠本舱发电,可能缺电1千瓦,便可从“问天”调配1千瓦电进入供电网。同时,“梦天”可将自己多产生的热量传输到“问天”,通过“问天”的辐射器安全排散。

另一方面,系统集成后,三舱平台和载荷信息能够实现统一管理。各种信息网络实现大联合,平台总线、载荷以太网及其配备的WiFi均完成并网,可实现系统无差别监视管理任何舱段的设备,有利于实现整站载荷资源的统一分配和动态管理。

梦天舱在轨组装效果图。八院供图

此外,系统集成后,三舱为航天员提供的生活、工作环境可以实现统一管理。三舱组合体密封空间连通,形成完整的空气循环,空气压力、成分及温湿度都能得到统一控制,并随着空气流动均匀化,可让航天员在各舱段内都处于适宜的环境中。

通过系统集成,可以实现对各舱段内设备按需调配和重构,在控制系统和机械臂应用等方面也都会有不同程度的改变,这均得益于我国空间站超前的系统设计。

如今,“梦天”作为国家级太空实验室主力舱段,将大幅度提升我国空间站在轨进行科学实验的能力,在技术开发应用、生物学、物理学等一大批前沿领域或将有新的关键性突破发现,进而推动科技发展,“拉近”遥远的未来。

彼时,在更远的深空,会有中国人的足迹留下。

评论
科普一下123466
贡生级
祝我国航天事业越来越好
2022-11-07
科普:张萍
太师级
“梦天”这个国家级太空实验室主力仓段,更好地实现了天地互动无缝衔接,集中体现我国航天科技的进步与创新。
2022-11-07
真诚秀士
秀才级
科技强则中国强!
2022-11-07