深度學(xué)習(xí)|太空“帶貨”，在軌放“衛(wèi)星”！細(xì)說(shuō)“夢(mèng)天”那些“黑科技”

長(zhǎng)征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭成功把“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙送入太空預(yù)定軌道。該實(shí)驗(yàn)艙在飛行了大約13個(gè)小時(shí)后，與我國(guó)“天宮”空間站的“天和”核心艙對(duì)接，形成新的組合體。至此，我國(guó)第一座由3個(gè)艙段組成的空間站“天宮”基本型建造完畢。我們邀請(qǐng)全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩為您作詳細(xì)解讀。

我國(guó)重量最大的單個(gè)航天器

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙是我國(guó)迄今為止重量最大的單個(gè)航天器，升空時(shí)約為23.3 噸。它也是我國(guó)空間站T字構(gòu)型組合體的最后一個(gè)部分。該艙段聚焦高價(jià)值的在軌科研，是“天宮”空間站得以實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的關(guān)鍵核心載體。

它由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙四個(gè)艙段組成，艙體全長(zhǎng)17.88米，直徑4.2米。它在軌組裝完成后，將與空間站其它兩艙實(shí)現(xiàn)控制、能源、信息、環(huán)境等功能的并網(wǎng)管理，共同支持空間站開(kāi)展更大規(guī)模的空間研究實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)試驗(yàn)，打造空間技術(shù)應(yīng)用研究的“夢(mèng)工場(chǎng)”。

從總體構(gòu)型來(lái)看，“夢(mèng)天”的“肚子”更圓，采用了獨(dú)特的“套娃”設(shè)計(jì)。其工作艙在最前端，通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)與核心艙相連，這是航天員艙內(nèi)工作與鍛煉的地方，裝有艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。載荷艙與貨物氣閘艙則是以“雙艙嵌套”的形式與工作艙相連，即在載荷艙的內(nèi)部，隱藏著一個(gè)貨物氣閘艙，主打貨物出艙專用通道。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙是我國(guó)“天宮”空間站的三個(gè)艙中支持載荷能力最強(qiáng)的艙段，可配置13臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，主要面向微重力科學(xué)研究，可支持流體物理、材料科學(xué)、超冷原子物理等前沿試驗(yàn)項(xiàng)目。為了最大化實(shí)現(xiàn)艙外試驗(yàn)支持能力，其艙外配置有37個(gè)載荷安裝工位，能為各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷提供機(jī)、電、信息方面的能力支持，確保它們?cè)谔窄h(huán)境下能夠開(kāi)展各類實(shí)驗(yàn)。特別是載荷艙上配置有兩塊可在軌展開(kāi)的暴露載荷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的載荷支持能力。

因?yàn)槿蝿?wù)分工和定位不同，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙與“天和”核心艙、“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙有明顯的不同。因?yàn)椤皦?mèng)天”是航天員工作的地方，所以沒(méi)有配置再生式生保系統(tǒng)、臥室和衛(wèi)生間以及組合體控制功能和小機(jī)械臂，但有類似健身房的劃船機(jī)等航天員的抗阻鍛煉設(shè)備。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙和“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙在外形上很像，并且在艙段的組成上都有工作艙、氣閘艙和資源艙，特別是它們的工作艙和資源艙的造型幾乎一樣。其工作艙都是位于最內(nèi)側(cè)，通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)與核心艙的節(jié)點(diǎn)艙相連，在艙內(nèi)均安裝了多臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，但在開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，“夢(mèng)天”和“問(wèn)天”的能力和責(zé)任卻各有側(cè)重?！皢?wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜；“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙則主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理以及航天技術(shù)試驗(yàn)等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜。

在外形上,“夢(mèng)天”和“問(wèn)天”的主要不同是在工作艙與資源艙中間部分的氣閘艙上?！皢?wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙上的人員氣閘艙是“外方內(nèi)圓”，即圓柱形氣閘艙外有個(gè)方形的外殼（艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）；而“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙上相同位置采用了“艙中艙”設(shè)計(jì)（氣閘艙+載荷艙），這讓“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的體型看起來(lái)更加渾圓、流暢。

貨物氣閘艙采用雙門(mén)設(shè)計(jì)

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙最大的特點(diǎn)是有一個(gè)貨物氣閘艙。它采用“內(nèi)艙門(mén)+外艙門(mén)”雙門(mén)設(shè)計(jì)：通往工作艙的內(nèi)艙門(mén)是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備；面向地球一側(cè)的外艙門(mén)，則是貨物通往艙外的出艙口。為了保障航天員的在軌安全和確保艙內(nèi)的氣壓、溫度等環(huán)境，貨物氣閘艙內(nèi)外兩道艙門(mén)是不能同時(shí)打開(kāi)的，也不必?fù)?dān)心誤觸，因?yàn)橥鈧?cè)艙門(mén)只有一切條件具備，接收到地面指令時(shí)才會(huì)打開(kāi)。

在完成貨物出艙任務(wù)時(shí)，航天員首先會(huì)手動(dòng)開(kāi)啟內(nèi)艙門(mén)，此時(shí)外艙門(mén)呈關(guān)閉狀態(tài)，工作艙與氣閘艙形成一個(gè)密閉的工作環(huán)境，氣閘艙內(nèi)負(fù)責(zé)搬運(yùn)貨物出艙的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將伸進(jìn)工作艙內(nèi)，航天員不用身穿艙外航天服，在艙內(nèi)就可以完成載荷、貨物的安裝操作；隨后，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回至氣閘艙，航天員關(guān)閉內(nèi)艙門(mén)、由地面發(fā)出指令打開(kāi)外艙門(mén)，實(shí)現(xiàn)貨物的順利出艙。

“夢(mèng)天”的貨物氣閘艙可滿足1.15米×1.2米×0.9米規(guī)格的貨物進(jìn)出，這是由于外艙門(mén)采用了大開(kāi)口設(shè)計(jì)，為貨物進(jìn)出打造了一條寬闊的通路。另外，這款外艙門(mén)還是我國(guó)空間站的首個(gè)電動(dòng)弧形方艙門(mén)，艙門(mén)采用全自動(dòng)滑移設(shè)計(jì)，它通過(guò)地面發(fā)送指令控制開(kāi)關(guān)。

與航天員進(jìn)出艙一樣，貨物進(jìn)出艙也需要經(jīng)過(guò)一個(gè)泄復(fù)壓過(guò)程，即貨物出艙前氣閘艙要泄壓，從而讓氣閘艙內(nèi)外的大氣壓保持一致，以打開(kāi)艙門(mén)；貨物進(jìn)艙后氣閘艙要復(fù)壓。因此對(duì)于氣閘艙來(lái)說(shuō)內(nèi)部空間越大，泄復(fù)壓期間空間站內(nèi)損耗的氣體越多。為此，研制團(tuán)隊(duì)根據(jù)出艙貨物的大小對(duì)貨物氣閘艙的外形尺寸進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計(jì)，2.2米的直徑既保障了貨物有充足的空間進(jìn)行安全轉(zhuǎn)運(yùn)，又減少了對(duì)空間站內(nèi)的氣體損耗，提高了空間站的氣體利用率。

為了滿足將來(lái)更大尺寸、更大重量貨物的進(jìn)出艙需求，“夢(mèng)天”艙的貨物氣閘艙上還安裝了一款獨(dú)一無(wú)二的方形自動(dòng)艙門(mén)，寬度可達(dá)1.2米。艙門(mén)可以為貨物的進(jìn)出艙提供一條寬闊的走廊，也是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備。

作為工作艙與資源艙之間的連接艙段，貨物氣閘艙具有連接和承載的作用。因此，為了進(jìn)一步提升整艙剛度、實(shí)現(xiàn)有效承載，在氣閘艙外還套了一個(gè)更大直徑的艙體——載荷艙，采用了獨(dú)特的“艙中艙”設(shè)計(jì)。除此之外，載荷艙還為空間站進(jìn)行艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)大的平臺(tái)支持。

在“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的載荷艙外，還配置了兩個(gè)展開(kāi)式暴露平臺(tái)和1個(gè)固定式暴露平臺(tái)。兩個(gè)展開(kāi)式暴露平臺(tái)中，1個(gè)為對(duì)天方向，1個(gè)為對(duì)地方向，與對(duì)地方向的固定式暴露平臺(tái)一共可提供24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷工位。發(fā)射時(shí)平臺(tái)呈收攏狀態(tài)，當(dāng)“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙完成對(duì)接與轉(zhuǎn)位動(dòng)作后，兩個(gè)平臺(tái)展開(kāi)并鎖定到位，為“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙提供了24個(gè)艙外標(biāo)準(zhǔn)載荷工位，這樣就極大拓展了空間站開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

貨物能自動(dòng)出艙還能在軌“放衛(wèi)星”

支持更強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)使命的“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙采用了一系列的“黑科技”。例如：

以往在艙外開(kāi)展科學(xué)試驗(yàn)需要航天員出艙進(jìn)行安裝作業(yè)，但這種方式會(huì)受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與大小的限制?！皦?mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙應(yīng)用了別具一格的載荷自動(dòng)進(jìn)出艙技術(shù)，具有流程簡(jiǎn)單、對(duì)載荷支持能力強(qiáng)、對(duì)載荷自身要求低、可連續(xù)開(kāi)展進(jìn)出艙任務(wù)等特點(diǎn)，可減少航天員出艙和艙外航天服使用次數(shù)，有效提高空間站進(jìn)行艙外載荷實(shí)驗(yàn)的能力和效率，降低載荷進(jìn)出艙成本。

這主要是因?yàn)樵凇皦?mèng)天”的氣閘艙內(nèi)配置了一臺(tái)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，它可以穩(wěn)定地執(zhí)行將貨物從艙內(nèi)送出艙外，或?qū)⑴撏庳浳镞\(yùn)至艙內(nèi)的任務(wù)。該載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)送能力能達(dá)到400千克，這與航天員“帶貨出艙”的方式相比，貨物出艙能力得到了進(jìn)一步提升，還可為在軌工作生活的航天員“減負(fù)”，以便航天員把更多的時(shí)間精力用于開(kāi)展艙內(nèi)各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

該載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具有行得穩(wěn)、走得遠(yuǎn)和停得準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并能通過(guò)0°至90°的轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)我國(guó)空間站獨(dú)特構(gòu)型布局下的載荷進(jìn)出艙功能，使其既能通向工作艙內(nèi)，又可伸出氣閘艙外。因?yàn)檩d荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具備變速啟?？刂颇芰?，所以能讓科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷在搭乘過(guò)程中不管是直線運(yùn)動(dòng)還是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，都能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，不會(huì)受到急剎車帶來(lái)的頓挫感，為載荷、貨物帶來(lái)安全舒適的搭乘體驗(yàn)。

另外，“夢(mèng)天”專門(mén)配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百公斤級(jí)微小飛行器或者多個(gè)規(guī)格立方星的在軌釋放需求，解決微衛(wèi)星和立方星低成本進(jìn)入太空的問(wèn)題，從而能進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的綜合應(yīng)用效益。

具體來(lái)說(shuō)就是，在軌釋放機(jī)構(gòu)以組件形式收納在艙內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行釋放小衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，航天員可以按照立方星的規(guī)格進(jìn)行在軌組裝，然后把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”內(nèi)。釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”單次最大載客量為36U立方星或百公斤級(jí)微衛(wèi)星（1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米）。接著，釋放機(jī)構(gòu)即可搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將小衛(wèi)星運(yùn)送至艙外。出艙后，機(jī)械臂抓取釋放機(jī)構(gòu)并調(diào)整釋放機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，當(dāng)立方星或微衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到指定的發(fā)射方向時(shí)，釋放機(jī)構(gòu)就會(huì)像彈弓一樣把小衛(wèi)星依次以規(guī)定的速度彈射出去，讓衛(wèi)星既穩(wěn)當(dāng)又安全地開(kāi)始太空旅程，實(shí)現(xiàn)在軌“放衛(wèi)星”。

主要面向微重力科學(xué)研究

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，上面裝有超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜、高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、在線維修裝調(diào)實(shí)驗(yàn)柜等7個(gè)方面的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（其中高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜由2個(gè)艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和4臺(tái)艙外設(shè)備組成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)），支持開(kāi)展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過(guò)程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究等。

超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜主要是利用空間微重力環(huán)境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質(zhì)量、適合精密測(cè)量的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)工作物質(zhì)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展前沿基礎(chǔ)物理研究，是世界領(lǐng)先的中國(guó)首個(gè)微重力超冷原子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜。高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時(shí)間頻率系統(tǒng)。

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是可以在空間站微重力環(huán)境下進(jìn)行材料制備、加工、原位檢測(cè)、實(shí)時(shí)觀察和診斷于一體的新型實(shí)驗(yàn)裝置，裝置的最高工作溫度、溫度穩(wěn)定度、樣品數(shù)量、實(shí)時(shí)觀察成像技術(shù)等均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)柜主要是支持開(kāi)展空間蒸發(fā)與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動(dòng)與回路系統(tǒng)、空間流體控制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)應(yīng)用研究。

流體物理實(shí)驗(yàn)柜主要是支持開(kāi)展空間微重力環(huán)境中流體的宏觀、微觀運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散過(guò)程的基本規(guī)律研究，超越了“國(guó)際空間站”3個(gè)已有的專用流體實(shí)驗(yàn)柜形成的綜合測(cè)試手段和能力，將成為國(guó)際上技術(shù)最完備、設(shè)備最先進(jìn)的空間流體物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜是能夠支持在軌開(kāi)展微重力燃燒基礎(chǔ)科學(xué)研究的一套科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)于完善燃燒基礎(chǔ)理論、發(fā)展先進(jìn)燃燒技術(shù)有著重要意義。

在線維修裝調(diào)實(shí)驗(yàn)柜主要是支持艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)試驗(yàn)的精細(xì)機(jī)械操作、結(jié)構(gòu)和電子學(xué)裝配、機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑等操作及試驗(yàn)驗(yàn)證，并支持開(kāi)展空間機(jī)器人和遙科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)。

通過(guò)“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙配置的8個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，預(yù)期能夠在相關(guān)領(lǐng)域做出具有國(guó)際水平的科學(xué)成果，揭示重要的科學(xué)規(guī)律，并同步推進(jìn)應(yīng)用和技術(shù)轉(zhuǎn)移。目前在上述方向已經(jīng)規(guī)劃安排了約40項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃持續(xù)開(kāi)展在軌實(shí)驗(yàn)。

隨著“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射，航天五院抓總研制的中國(guó)空間站將以“天和”核心艙、“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙、“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙三艙為基本構(gòu)成，形成T字構(gòu)型，開(kāi)展后續(xù)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。根據(jù)航天器的構(gòu)型原則，中國(guó)空間站未來(lái)還可擴(kuò)展十字形、干字形等構(gòu)型。

審核編輯：湯梓紅