来源:中国军网-解放军报
中国空站新增“新房”
——问天实验舱技术亮点解读
■韩文勇到谭
发射前，研究人员正在测试实验舱。图片由航天科技集团五院提供
7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号乙三运载火箭在中国文昌航天发射场点火准时发射。大约495秒后，实验舱与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。
7月25日3时13分，实验舱成功停靠天河核心舱前端口。
几代中国航天人和千千数百万中国人梦寐以求的“天宫画卷”正在徐徐展开。神舟、天舟、天河、问天……伴随着一次次诗意浪漫的出发，中国航天人也在向世界传递着这样的决心:“在星辰大海的征途上，中国航天永不停步。”
比天河核心舱更高、更大、更重，其“体型”大致相当于一节地铁车厢。
7月25日10时03分，神舟十四号飞行乘组成功打开实验舱舱门，顺利进入实验舱。
空间实验舱全长17.9米，直径4.2米，发射重量23吨，相关指标高于天河核心舱。它的“体型”大致相当于一辆地铁车厢，是世界上现役最重的单舱现役飞机。
对于在轨的三位航天员来说，实验舱的到来可谓“新房上线”。在结构上，空间实验舱由工作舱、气闸舱和资源舱三部分组成。其中工作舱用于完成科学实验，气闸舱用于支持Tai 空出舱，资源舱用于储备上行物资。
工作舱长9米，是目前我国航天器中最大、最重的密封舱。这里，也是航天员生活和工作的地方。对接后，我国空站的“床位”增至6张，等待神舟十四号、神舟十五号6名航天员的“太空交会对接”。
为了打造一个舒适安全的“Tai 空家”，航天科技集团五院空站结构与机构设计团队在工作舱研制过程中进行了大量人性化设计——通过可翻转柜门的设计，存储效率更高；三个独立的“卧室”自带防辐射舷窗，航天员可以安心欣赏舱外风景；独立卫生区的私密性进一步增强...此外，为了使密闭舱更加耐用，能够在轨按照设计寿命稳定运行，设计师还在舱壁上设计了类似“金色软甲”的防护结构。
实验舱携带8个实验柜，舱外22个负载适配器，仿佛把一个大型科学实验室搬到了Tai 空。航天员出了“卧室”就可以“上班”，可以在Tai 空进行大型科学实验。
为了更好地开展空之间的科学实验，实验舱内安装了国内第一台“Tai 空冰箱”。在一个不到0.5m2 空的房间里，高密度集成了三个制冷区，包括零下80摄氏度的低温环境。
据了解空站对设备材料的选择有着严格的要求，导致很多地面常用的降噪材料并不适合空站。因此，“Tai 空冰箱”的降噪成为实验舱内的难题。
为了给实验舱营造一个安静的环境，科研人员在消声室搭建了测试平台，解决了复杂系统带来的传输路径复杂的问题。在众多的联系中，研究人员发现了几个关键的联系。他们对泵进行了开创性的设计，以确保制冷效率，同时将声能输入降至最低。同时，他们选择了新的粘接材料，增强结构的阻尼，提高箱体的声辐射效率……就这样，每一个细节都做到了极致，每一个设计都想到了极限。“太空冰箱”的噪音指数在不改变音量的情况下降低了近20分贝。
除试验载荷功能外，田文实验舱和天河核心舱互为备份，关键平台功能一致，可完全覆盖空站间组合体需要时的工作需求。同时，问天实验舱提供专门的气闸舱和应急方舱，使中国空站在轨运行风险更可控，在轨长寿命运行更可靠。
用四两斤的“中国功夫”，让烛台实验室在Tai 空稳步腾飞
空站三号舱设计统一，但各舱段各有千秋。作为具有“主动交会跟踪、组合体跨舱一体化管理、大规模供能、舱内外载荷高效支撑”等多种功能的舱体，问天实验舱拥有强大的能量管理系统。
从外形上看，实验舱与核心舱明显不同——前者尾部有一对巨大的“翅膀”，即太阳能电池板或柔性太阳能电池翼。
问天实验舱装有目前国内研制的最大的可伸缩柔性太阳翼。单翼在完全展开状态下最大长度为27米，展开面积可达110平方米。
两块巨大的太阳能电池板协同工作，日均太阳能发电量将超过430度。在地面上，这足够一个普通家庭度过一个半月。无论是扩展面积还是供电能力，这对“翅膀”都达到了天河核心舱太阳能翼的两倍以上，超过万瓦的翅膀供电基本实现了站间“用电无忧空。
实验舱的太阳能电池板面积大，柔性强。有了这样一对又大又软的“翅膀”进行交会对接，控制难度和以前一样高空。
当实验舱在空之间与空间站组件相遇并对接时，两个“翅膀”都完全展开。为了避免对接造成的碰撞和冲击损坏“翅膀”，太阳翼的展开分为“两步”七步，中间有一个“间歇”，持续80分钟。展开、锁定、重新展开和重新锁定。天空实验舱太阳翼凭借其“高可靠性、可重复收放”的硬核技术，可在Tai 空内自由收放，兼具刚性和灵活性，确保动力始终“在线”。
此外，在半刚性太阳能电池板控制的基础上，航天科技工作者开发了一种抑制柔性太阳能电池板振动的方法。有了四两斤的“中国功夫”，问天实验舱才能在泰空里稳稳地“翱翔”。
此前，中国大多数航天器使用半刚性太阳能电池板，2021年发射的空间站空核心舱首次使用柔性太阳能电池板。半刚性太阳能电池板的固有频率范围较窄，算法简单，易于控制。柔性太阳能电池板非常柔软，具有很宽的自然频率范围。当航天器上的相同控制频率与其自然频率一致时，面板将被激发并振动。如果控制不好，每一次“轻微的震动”都可能对航天任务造成致命的影响。
这就好比两个人用扁担挑水——会挑水的人在快走的同时，可以熟练地调节身体起伏的频率和幅度，进而控制扁担的震动，让桶里的水只微微泛起涟漪。不会挑水的人没有控制扁担的技能，导致扁担上下抖动严重，水桶抖动严重，行走速度也受扁担影响，忽快忽慢。回到家，原本装满水的水桶可能只剩下半桶水了。
专家利用类似的原理控制航天器的姿态来抑制振动。虽然调整的幅度很小，但是作用很大。首先，他们通过相机观察的方式确定了柔性太阳能电池板的振动参数。然后，计算机通过相应的算法确定航天器需要进行的姿态调整，并向负责调整航天器姿态的执行机构下达指令。
虽然科研人员对国外抑制太阳能帆板振动的技术细节知之甚少，但从实际控制效果来看，我们自主创新设计的控制方式更适合中国航天器的“体质”。
在轨空站建设完成后，天河核心舱的一块太阳能电池板将转移到实验舱的资源舱尾部。这样，天河核心舱将“集中”管理空之间的台站，实验舱将成为名副其实的“主电站”，为组合体源源不断地提供动力和能源。
天空实验的舱内有很多种科学实验设施，就像把一个大型科学实验室搬到了Tai 空
实验舱的一大特点是配备了全新的出舱气闸舱。
在实验舱中，气闸舱的视觉效果非常独特。外圈是空站系统中唯一看起来方方正正的舱室。里面的圆柱形结构是航天员进行舱外活动的“更衣室”。航天员在这里进行出舱准备和出舱活动返回时，可以更加放松和从容。
未来将成为整个空站间系统的主要出站通道。
出站气闸有一个直径为1米的闸门。航天员从这里进出不仅更加方便，而且能够携带大型设备出舱，大大提高了他们的舱外工作能力。
空间实验舱是空站系统中舱外运动部件最多的舱。大量的出舱设施和设备更好地保证了出舱活动，为更复杂的出舱作业提供了支持。
出舱气闸室外的方壳是舱外暴露实验平台，配备了22个标准载荷接口。未来空之间空间站承载的科学实验载荷，可以通过机械臂精确地“交付”到其对应的标准载荷接口位置，是“即插即用”的，航天员无需出舱进行人工操作。
执行精准“投放”的机械臂是实验舱携带的一套5米长的“小臂”。这种具有7个自由度的机械臂小巧而精确，便于抓取中小型设备和进行更精细的操作。“小臂”还可以与核心舱的“大臂”组合成15米长的组合臂，方便覆盖空之间的所有站位，进行更多的舱外作业。届时，组合臂可以在空的站天、问天、梦天组合体之间运动，受控出舱范围更大。
拥有天河核心舱、实验舱、实验舱基本构型的天宫空站的建成，意味着国家Tai 空实验室正式建成，将开展长期、多领域、大规模的科学与应用研究。
载人航天工程空应用系统副总工程师、中科院空应用中心研究员吕聪敏介绍，问天实验舱主要以生命科学和生物技术研究为主，定位于生命科学和生物技术之间的空、微重力流体物理、材料科学和空之间的空，通过这些科学项目的实施，关注生命的生长发育和人的健康，探索一系列
问天实验舱舱内配备了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱及低温储存柜、变重力科学实验柜等科学实验设施。，就像把一个大型科学实验室搬到Tai 空一样。
其中，两个生命科学实验柜和变重力科学实验柜是开展科学实验的场所；科学手套箱为航天员精细操作科学样品提供安全高效的支持；低温装置用于在轨储存实验样品。
空车站里会有“种草”和“养鱼”。吕聪敏说，生命生态实验柜以各类生物个体为实验样本，将开展拟南芥、线虫、果蝇、斑马鱼等生物的空生长实验，揭示微重力对生物个体生长发育和代谢的影响，促进人类对生命现象本质的认识。
在轨期间，一场惊心动魄的“Tai 空停车”大片将在实验舱内上演。
此次发射是我国空站进入建造阶段后的第三次发射，也是该阶段首次迎来载人状态的飞船。
7月17日，天舟三号货运飞船完成所有预定任务，在空之间撤离站内组装。周三撤离前对接的对接端口是空站核心舱的前向对接端口，也是实验舱的对接端口。因此，在烛台实验舱发射前，天舟三号将撤离组合体，让出对接端口迎接烛台实验舱的到来。
田甜实验舱入轨后，顺利完成状态设置，于7月25日3时13分成功对接天河核心舱前端口。这是我国两个20吨级航天器首次在轨交会对接，也是我国空航天员首次在轨期间交会对接。
在这样的大场景下，“身经百战”的对接机制依然“游刃有余”。由于设计先进、安全可靠，该对接机构完全可以适应未来8吨至180吨各种吨位空站建设和各种方式对接。
整个交会对接过程持续了约13个小时。对接结束后，中国空站以庞大的身躯继续在轨飞行，为下一步大动作“刷新”。
据介绍，在轨期间，问天实验舱将完成国内首次大惯性换位动作——通过90度的平面换位，原本停靠在节点舱前对接口的问天实验舱将转向节点舱侧靠泊口再次对接，从而腾出核心舱前对接口，为问天实验舱的到访做好充分准备。
这将是我国首次在轨航天器变址试验，也是国际上首次尝试探索航天器变址的平面变址方案。转场期间，一场惊心动魄的“Tai 空停车”大片将在烛台实验舱上演。
问天实验舱的成功换位是后续发射梦天实验舱的前提。梦想实验舱就位后，就可以开始空站运行阶段的任务，天宫空站才能真正宣告成功。
据航天科技集团五院空间任务总设计师杨红介绍，天河核心舱、田文实验舱、蒙恬实验舱均为T型。也就是说，三个舱位于同一平面上，两个大小和质量特征大致相同的实验舱相对布置，形成“T”形。
分别利用每个实验舱近20m长的结构和两自由度太阳能翼驱动机构，两对大型太阳能翼在T型的远端成为两个“大风车”。无论站空以什么姿态飞行，太阳能翼都能高效发电。两个实验舱的气闸舱分别位于水平“T”的末端，正常泄压或异常隔离都不会影响其他密封舱形成一个连续的空室，从而保证了安全性。
作为“T”字的垂直核心舱，在这种对称关系中，仍然保持着向前、向后、向下对接的能力——货船的向后对接，使组合体可以直接利用货船的发动机进行轨道机动；正向和径向对接接口不仅可以接受两个载人飞船旋转，还可以允许载人飞船在轨道平面内沿飞行方向和沿轨道半径方向直接对接，对接后无需切换对接接口。
就太空任务过程而言，这样的“百变金刚”既美观又安全。
