图为7月24日14时22分,搭载问天实验舱的长五B运载火箭在文昌航天发射场成功发射。 屠海超 摄

□ 本报记者 陈丽平 廉颖婷

【资料图】

7月25日10时03分,神舟十四号航天员乘组顺利进入空间站问天实验舱。这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。

7月24日14时22分,搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭(以下简称长五B运载火箭),在我国文昌航天发射场成功发射。

由中国航天科技集团有限公司五院研制的问天实验舱,是中国空间站第二个舱段,也是首个科学实验舱,由工作舱、气闸舱和资源舱组成,起飞重量约23吨,主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间科学实验。

更大更强更足更优更细

问天实验舱,称得上更大、更强、更足、更优、更细。

体重更大。问天实验舱舱体总长17.9米,直径4.2米,发射重量达23吨。这块头和分量,跟北京地铁13号线列车的一节车厢差不多,是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。

问天实验舱的工作舱是迄今我国最大、世界第二大单密封舱体。与天和核心舱完成对接后,中国空间站将更加温馨舒适,而且“床位”数增加到6个。

系统功能更强。问天实验舱是一个集平台功能与试验载荷功能于一体的“全能型”选手。

平台功能方面,问天实验舱与天和核心舱互为备份,关键平台功能一致,可以完全覆盖空间站组合体工作要求。也就是说,在天和核心舱“想休息”的时候,问天实验舱也能顶上,“带你一起飞”。

问天实验舱不仅保障航天员在轨长期驻留,而且提供专用气闸舱和应急避难场所,保证航天员安全,让中国空间站的在轨运行风险更加可控,在轨长寿命运行更加可靠。

在试验载荷功能上,问天实验舱装载了8个实验机柜、22个舱外载荷适配器,就像是把一个大型科学实验室搬到了太空。航天员在问天实验舱工作,出了“卧室”就能“上班”。

问天实验舱配备了一对双自由度柔性太阳帆板,全部展开后的翼展超过55米,比半个足球场还要长。这也刷新了我国航天器在轨使用太阳帆板的纪录。

问天实验舱的太阳帆板面积大柔性也大,带着这么大的一对“软翅膀”进行交会对接,控制难度之高堪称空前。为了降低系统复杂性和在轨风险,问天实验舱也相应地实现了多个系统功能创新,如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。

能源保障更足。问天实验舱的能源管理系统十分强大,自带高性能“发电机”与“配电器”。

问天实验舱的每个太阳帆板展开面积约110平方米,差不多相当于一套三室一厅房子的面积。两个硕大的太阳帆板一起工作,将有效收集更多的太阳能,每天平均发电量超过430度,为空间站运行提供充足的能源。放在地面上,这个日发电量足够一个北京市普通家庭用一个半月。

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到问天实验舱资源舱的尾部,天和核心舱将“专心致志”地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”。届时,问天实验舱的3条能源母线将发挥更大的作用,为组合体源源不断地供电送能。

出舱气闸更优。在问天实验舱中,气闸舱的视觉效果十分独特,外方内圆,是空间站系统唯一一个看上去是方形的舱体。里面圆柱状的,正是航天员开展出舱活动时的更衣间——出舱气闸。在这里,更衣间空间更大了,航天员做出舱准备和舱外返回时,可以更舒展、更从容,未来将成为整个空间站系统的主要出舱通道。

出舱气闸还有一个直径达1米的大门。航天员从这里进进出出,不仅更加方便,而且还能携带大个头的设备出舱工作。

出舱气闸外面,是看上去像方形的外壳。这是舱外暴露实验平台,上面配置了22个标准载荷接口,其中一部分还配备了流体回路温度控制。未来10年,在空间站搭载的科学实验载荷,可以通过机械臂精准“投送”到自己对应的标准载荷接口位置,“即插即用”,不再需要航天员出舱进行人工操作了。

舱外操作更细。问天实验舱是空间站系统中舱外活动部件最多的舱体,大量的舱外设施设备更好地保障了出舱活动,也为更精细的舱外操作提供了支持。

问天实验舱将在气闸舱外携带一套5米长的“小臂”。这套7自由度的机械臂小巧、精度高,“小手”方便抓中小型设备,做更为精细的操作。小臂还可以与核心舱大臂级联成15米长的组合臂,开展更多舱外操作。届时,组合臂能够在天和、问天、梦天的空间站三舱组合体之间爬行,“机甲战士”能控制的舱外范围就更大了。

“四大力士”送问天精准入轨

执行本次发射任务的长五B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(以下简称火箭院)研制,是我国目前近地轨道运载能力最大的新一代运载火箭,具备近地轨道25吨的运载能力。作为我国空间站建造工程的“运载专列”,长五B运载火箭主要用于空间站舱段等近地轨道大型航天器发射任务,于2021年成功发射天和核心舱,后续还将承担梦天实验舱的发射任务。

身为长征火箭家族中的“大力士”,长五B运载火箭将我国火箭近地轨道的运载能力由8吨提升至25吨。它可不是只有蛮力,其特有的“大推力直接入轨精度控制技术”,可以让空间站的舱段安全到达预定轨道。

“就好比一辆正在高速行驶的汽车,想踩一脚刹车就停到指定位置很难。”长五B运载火箭试验队员这样形容大推力火箭精准入轨的难度。为此,火箭姿控系统和制导系统设计团队创新性地采用了“姿态控制增益优化”和“复合制导”两种方法,保证了长五B运载火箭入轨精度,连续3次发射任务的高精度入轨都验证了这个方法的可靠性。

这次发射的问天实验舱,是我国迄今为止重量最大、包络尺寸最大的一个载荷。不过,这难不倒长五B运载火箭,除了超大推力外,研制团队在设计之初就考虑到空间站建造的任务需求,直径5.2米、长度20.5米的整流罩足以让实验舱在里面舒舒服服的。

据火箭结构总体设计师王乾介绍:“针对此次任务,在整流罩生产初期,研制团队采用了三维视觉扫描等技术,对整流罩以及问天实验舱的尺寸进行了精准仿真,反复详细校核,确认了关键位置的安全间隙,确保在飞行、分离的过程中,实验舱享有足够的空间,不会在飞行过程中贴近整流罩。”

在此次任务中,长五B运载火箭凭借它强大推力、精准入轨的优异表现,成功将重达23吨的问天实验舱顺利送入预定轨道。成功托举的背后,合抱在芯级上的“四大力士”——4个3.35米直径助推器功不可没。

据长五B运载火箭副总指挥鲍国苗介绍,中国航天科技集团八院研制的4个助推器,为长五B运载火箭提供了90%以上的起飞推力。每个助推器五脏俱全,相当于一枚单级运载火箭。

将以生命科学为主开展实验

据载人航天工程空间应用系统副总设计师吕从民介绍,空间应用系统问天实验舱任务以生命科学和生物技术研究为主,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四个领域规划部署了十余个研究主题。

为保证上述科学任务顺利开展,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,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全任务链实施。

生命生态实验柜以多种类型的生物个体(如植物种子、幼苗)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,揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响,促进人类对生命现象本质的理解,研究空间辐射生物学和亚磁生物学效应与机制,探索建立应用型受控生命生态系统,为航天员在轨辐射损伤评估、防护提供科学依据。

生物技术实验柜以组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象,开展细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源和空间生物力学等实验,探索微重力环境下细胞生长和分化规律和机制,为人类健康、生殖发育提供理论基础。

科学手套箱提供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;手套箱为航天员操作多学科实验样品提供安全、高效支持。

变重力科学实验柜为科学实验提供0.01g至2g高精度模拟重力环境,采用先进的无线传能和载波通信技术,支持开展微重力、模拟月球重力、火星重力等不同重力水平下的复杂流体物理、颗粒物质运动等科学研究。