梦天实验舱背后的高科技

杨阳

2022年10月31日，中国空间站第三个舱段梦天实验舱在文昌航天发射场由长征五号B运载火箭發射，顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。11月1日，梦天实验舱与天和核心舱成功对接，后续，通过对梦天实验舱实施水平转位，三舱将形成平衡对称的“T”字构型，中国空间站三个舱段共同见证历史性的“合体”时刻。梦天实验舱是中国空间站三大舱段中的最后一个舱段，它长17.88米，最大直径为4.2米，重量约23吨。它与天和核心舱、问天实验舱的任务分工和定位有何异同？梦天实验舱有何独特之处？其背后有哪些高科技？

梦天实验舱与天和核心舱、问天实验舱的任务分工和定位不同，与后两者在配置上既有相似之处，又各有特点。

梦天实验舱的定位是航天员工作的地方，因此没有配置类似天和核心舱、问天实验舱的再生生保系统以及睡眠区、卫生区，但三个舱段均配置了航天员的锻炼设备。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。工作舱在最前端，通过对接机构与核心舱相连，主要用于航天员舱内工作与锻炼，舱内科学实验机柜也安装在这里。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，是货物出舱专用通道。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。

梦天实验舱作为“工作室”，是三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，主要面向微重力科学研究，可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿实验项目，堪称天宫“梦工场”。同时，为了最大化实现舱外实验支持能力，梦天实验舱舱外配置了37个载荷安装工位，可为各类科学实验载荷提供机、电、信息方面的能力支持，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。

梦天实验舱内安装有空间科学研究与应用领域的超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜等7个方面的8个科学实验柜。其中，高精度时频实验柜是空间站中最复杂的实验柜。高精度时频实验系统通过舱内不同特性原子钟组合，将建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。该系统主要由地面测试评估和实验验证系统以及空间载荷部分组成。其中，空间载荷部分主要包括主动型氢原子钟等11个子系统。主动型氢原子钟是高精度时频实验系统中的核心载荷， 为空间时间频率系统提供基础时间频率信号，同时为小型化的主动型氢原子钟在卫星平台上的应用打下坚实的基础。

如果将问天实验舱的气闸舱比作“国际机场”的话，那么梦天实验舱的货物气闸舱就是空间站的“国际货运港口”。以往在舱外开展科学实验，需要航天员出舱进行安装作业，但这种方式会受到航天员出舱次数、载荷数量与体积的限制。梦天实验舱独具的载荷自动进出舱功能将进一步提高空间站进行舱外载荷实验的能力和效率。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。

同时，为了满足将来更大尺寸、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，宽度可达1.2米。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，是我国空间站首次亮相的方形自动舱门。

梦天实验舱上专门配置了微小飞行器在轨释放机构，能够满足百千克级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求，解决微卫星和立方星低成本进入太空的问题。航天员只需在舱内把立方星或微卫星填装到释放机构的“肚子内”，释放机构即可搭乘载荷转移机构将小卫星运送至舱外。出舱后，机械臂抓取释放机构，运动到指定的释放方向，释放机构就会像弹弓一样，把小卫星弹射出去，实现在轨“放卫星”。

随着更多科学实验任务的开展，空间站载荷供电需求也成倍增加。因此，梦天实验舱与问天实验舱同配置、同发力，也拥有单侧长达27米、可展开面积近138平方米的“巨型翅膀”—柔性太阳翼。

我国空间站基本构型组装完成后，两个实验舱配置的四副太阳翼，将为我国空间站打造最强劲的能量源泉，让空间站日发电量达到近1000千瓦时，相当于一个普通家庭近半年的用电量，真正实现“用电无忧”。

值得注意的是，作为一种全新的太阳能电池翼，柔性太阳翼具有的系统组成、展开原理、技术难点等，与传统刚性、半刚性太阳翼大相径庭。传统刚性、半刚性太阳翼都是一次展开，我国空间站的柔性太阳翼则在全世界范围内首创“二次展开”技术，这是为了确保交会对接这一关键动作的绝对安全。

以梦天实验舱的太阳翼为例，交会对接过程中，如果太阳翼完全展开，就如同两只手各持一面巨大的帆。即便是微小的抖动，都会导致实验舱的速度、相对位置和飞行姿态的控制精度严重下降，控制难度指数级增加。为此，中国航天科技集团八院设计团队突破了“二次展开”的关键技术，在梦天实验舱发射后的独立飞行阶段，柔性太阳翼先展开一部分电池板以满足实验舱能量需求，降低飞行控制难度，完成交会对接；对接完成后，再全面展开，建立完整的能源系统。