梦天舱就位中国空间站T字成型

2022-11-19王翔

太空探索 2022年11期

文/王翔

10月31日，梦天实验舱搭载长征五号B火箭成功从文昌航天发射场升空，中国空间站迎来了全面建成的关键一步。

中国载人航天工程按照“三步走”战略规划稳步推进。此前，在3个神舟飞船乘组的参与和3艘天舟货运飞船的保障下，中国空间站完成了关键技术在轨验证、问天实验舱对接与转位等工作，做好了接纳梦天实验舱的准备。作为中国空间站第三个大型舱段，梦天实验舱作用关键，很多技术特点值得品味。

▲ 梦天实验舱在轨对接效果图

▲ 梦天实验舱转位组装效果图

三舱互补各有分工

中国空间站在分析借鉴国外空间站的设计理念及经验教训的基础上，突出强调多舱段航天器的系统统一，按照三舱组合体进行一体化设计、统筹研制、集成验证，通过3次发射完成在轨组装建造。换句话说，3个舱段都是不可或缺的，通过各自资源、能力的集成，共同构成了性能强大、功能完整的70吨级“天宫”。这种创新实践使得中国空间站能够在适度规模条件下取得更高的研制效益，实现高效率资源利用和更强的系统冗余。

为实现长期载人可靠飞行并开展有人参与的多领域空间科学实验与技术试验，中国空间站全系统以“1=1+1+1”的方式构建，即整站功能被系统分解至3个舱段。

其中，天和核心舱负责空间站平台的统一管理和控制，并作为目标飞行器支持来访飞行器交会对接、转位与停泊。由于天和核心舱是第一个发射并独立运行的空间站舱段，它拥有完备的平台功能和少量载荷支持能力。

今年7月24日发射的问天实验舱可以对天和核心舱平台功能进行系统级备份，具备对空间站组合体姿轨控、信息管理、能源管理、载人环境、热管理等功能进行统一管理和控制的能力，能够在应急情况下“整体接管”空间站。它支持航天员在轨驻留，提供专用气闸舱和应急避难场所，还支持开展密封舱内、舱外科学实验和技术试验。

本次发射的梦天实验舱具备平台重要功能和关键设备的备份能力，可以为航天员在密封舱内工作、开展舱内及舱外空间实（试）验提供保障条件。相比更早发射的两个空间站舱段，梦天实验舱除支持更多舱内和舱外载荷外，还提高了自主能力，支持载荷与设备自动进出舱。

由上述功能分配可见，中国空间站不同舱段功能各有侧重，既能相互补充，又具备适度冗余。顺次发射的三舱在平台功能上逐个减弱，而在载荷支持能力上越来越强。这体现了空间站建造的工程思路：在首先保证平台安全的同时，逐步扩展载荷保障能力，边建造边运行。

撑起能源供应“半壁江山”

梦天实验舱和问天实验舱的外部轮廓特征、尺寸基本一致，同为23吨级大型载荷。两个实验舱分别位于天和核心舱左右两侧，共同形成对称的T字构型。三舱组合体不论是自身质量特性还是气动阻力均做到了左右对称，这对于姿态控制和轨道控制非常有利。特别是空间站进行轨道机动时，利用天和核心舱或者对接在其后的货运飞船主发动机实施轨道控制，推力矢量正好处于对称轴线上，更高效可靠。

▲ 中国空间站T字构型示意图

▲ 中国空间站2个实验舱都配备了双自由度太阳翼

由于T字构型组合体布置在同一平面，两个实验舱相向布置，加之各有近20米结构长度，各自尾端的太阳翼就被拉开约40米间距，使得两对太阳翼在转动时受遮挡影响很小。在梦天舱对接并转位到位后，中国空间站基本构型的设计优势将完全形成并充分施展。

同时，两个实验舱的太阳帆板完全一致，均配置了双自由度驱动机构。也就是说，太阳帆板既能在太阳高度角方向上也能在方位角方向上进行转动，总是保持与太阳光线垂直，确保发电效率始终处于最佳状态。

在双自由度、大面积等多重优势下，酷似“大风车”的太阳帆板将成为中国空间站的主要发电来源。通过供电并网，两个实验舱供应的能源将在各舱段进行统一调配，还能提供给飞船和未来的巡天光学舱。可以说，梦天实验舱在电力供应上占据了空间站的“半壁江山”。

资源融合系统集成

梦天实验舱对接转位后，自身资源融入三舱组合体。空间站完成了继问天实验舱组装后的又一次系统集成，具体可分为5个方面。

在控制系统方面，梦天舱控制总线与空间站组合体并网，本身控制计算机不再当班工作。梦天舱配备的各种敏感器（如星敏感器、红外地球敏感器等）和执行机构（包括所有发动机）都成为空间站统一使用的资源，由三舱组合体当班控制器根据需求调配。

在信息系统方面，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。空间站三舱平台和载荷信息实现统一管理。

这就带来了两个显著的好处。其一，不论设备安装在哪个舱，系统对设备的监视和管理是无差别的，载荷用户对不同位置设备的监视管理过程也是无感知的，有利于实现整站载荷资源的统一分配和动态管理。其二，三舱配置的中继终端均可用于天地测控，平时可以规划使用1～2个，延长设备在轨使用寿命，需要时进行接力通信，实现天地测控在切换中继星时无缝衔接。此模式已在今年10月12日进行的问天舱首次太空授课中应用，梦天舱无疑能进一步增强空间站的天地联系能力。

在能源供应与散热方面，三舱能源并网后统一管理，两个实验舱将承担平台和载荷的大部分用电。到时候，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。

打个比方，如果梦天舱载荷启动较多，仅靠本舱发电，可能缺电1千瓦，那时就可以从问天舱调配1千瓦电进入供电网；同时，梦天舱可以将自己多产生的热量传输到问天舱，通过问天舱的辐射器安全排散。这样，通过能源供应和散热管理，可以高效用电，使用载荷也更灵活，实时动态可调。

在载人环境方面，梦天舱为航天员增加了约30立方米的舱内工作空间。而且，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，让航天员在各舱段内都处于适宜的环境中。

在机械臂应用方面，梦天舱外壁同时配置了大小机械臂的“脚印”，空间站的大小机械臂都可以在梦天舱外“爬行”和工作，协助航天员出舱，照料舱外载荷。所有机械臂“脚印”均有供电和信息接口，其控制总线是整体信息系统的一部分，三舱互联互通。届时，航天员通过天和核心舱的操作台就可以操控机械臂在梦天舱外运行。

上述各方面的设计和设备配置，让梦天舱既能适应单舱独立飞行，又能保证空间站组合体长期运行。

梦天舱之所以能与其他舱段完美兼容，是系统设计的结果。梦天舱的制导与导航控制计算机、信息管理计算机、测控设备、电源设备等都是三舱通用产品，通过配备个性化软件，完成在梦天舱的具体任务。这些产品，特别是硬件，在空间站系统级设计时统一研制规划，统筹开展试验和鉴定，提高了研制效率和验证充分性。三舱分布式配置保证了关键设备都有适当冗余，并网集成又使得系统对设备的使用可以按需调配和重构。

典型例子是控制系统的敏感器。万一个别设备遭遇故障，或某个设备因姿态等原因遭遮挡而无法工作，控制系统就可以“切除”故障设备，并引入备份，确保了系统的可靠性和系统工作的连续性。

其实，系统集成与重构也是可逆的。在极端情况下，假如整个梦天舱发生故障，它与空间站组合体的联系可以被暂时切断。用算式比喻，三舱以“（1+1）+1”的模式运行，等排除故障后，再恢复“（1+1+1）”运行。

“个性”鲜明优势独特

梦天实验舱的主要任务包括：在轨完成与天和核心舱交会对接、舱段转位和停泊；为航天员在密封舱内工作提供更好的保障条件，保证航天员安全；为开展舱内及舱外空间实（试）验提供保障条件；提供货物气闸，实现载荷与设备自动进出舱等。通过精心设计，梦天实验舱具备一些独特优势。

优势之一，三舱中载荷支持能力最强。

梦天实验舱包括工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱，轴向长度为17.9米，舱体结构最大直径4.2米。载荷舱外设置了展开式载荷试验平台，需发射后在轨展开。

在舱内载荷方面，相比天和核心舱的4个、问天舱的8个机柜空间，梦天舱提供了13个机柜空间。除若干机柜随舱发射外，梦天舱还有在轨继续配置载荷的能力。

在舱外载荷方面，为提高保障能力，梦天舱创新设计了独特的主结构形式。载荷舱是“套”在气闸舱外的大直径非密封舱，并在对天、对地方向都配置了可展开的暴露平台。

这种设计的优点主要有4个方面。

第一，有利于结构承载。货物气闸舱与密封舱部分连接，但使用需求决定了它的尺寸并不大，难以直接作为连接资源舱的过渡结构，所以载荷舱承担了工作舱与资源舱之间的连接。暴露平台在发射时是关闭状态，使得整个载荷舱形成一个封闭的大直径圆柱壳体结构，有利于保持良好的整舱刚度和局部强度，以承受发射阶段的载荷条件。

▲ 中国空间站舱段开展地面测试

第二，有助于保护货物气闸舱和部分设备。载荷舱将货物气闸舱整体包围，并在夹层内部安装了舱外流体回路等设备，可以充当货物气闸舱和这些设备的防护层。

第三，扩大了载荷适配器安装面积。梦天舱在空间站上转位到位后，暴露平台打开，不仅露出了气闸舱的出舱口，而且平台内表面翻开朝外，扩大了舱体表面，配置了更多标准载荷适配器，载荷获得了更大的安装空间。

第四，使载荷适配器位于最佳朝向。暴露平台展开后，形成了与圆柱形舱体相切的平面，使得大部分适配器形成了正对天或正对地的朝向。多数舱外载荷因试验目的而有安装朝向要求，对天与对地是需求最多的方向。

优势之二，更高效地保障大型载荷出舱。

梦天舱货物气闸舱与天和核心舱节点舱、问天舱气闸舱相比，未配备人员出舱所需的保障设备，而是作为载荷和货物的专用设施进行配置和应用，其突出强项是自动化水平高，更适应大尺寸载荷进出舱。

为实现载荷进出舱全自动化，梦天舱货物气闸舱的出舱舱门为电动自动开关，不需要航天员现场操作。舱内配置了自动转移机构，可以将固定好的货物、载荷送出舱外或收回气闸舱内。

▲ 梦天舱在室内完成推进剂加注工作

▲ 梦天实验舱构型示意图

▲ 梦天实验舱可展开暴露平台示意图

简单来说，载荷出舱流程为：航天员在舱内将载荷设置好，安装在自动转移机构上；航天员撤离货物气闸舱，回到工作舱并关门；货物气闸舱泄压；出舱舱门打开，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；出舱舱门关闭，货物气闸舱复压；航天员进入舱内正常工作。

相应地，载荷进舱流程包括：航天员撤离货物气闸舱，回到工作舱并关门；货物气闸舱泄压；出舱舱门打开，转移机构伸出舱外；机械臂将载荷放置在转移机构的适配器上；转移机构将载荷收回舱内；关闭出舱门，货物气闸舱复压；航天员进入舱内操作。

值得注意的是，上述过程中，不再需要航天员穿着舱外服接送载荷，极大地降低了安全风险，也延长了航天服使用寿命。未来航天员出舱活动将更加专注于必要的舱外装配、维修等工作。

此外，梦天舱货物气闸舱的出舱舱门及连通工作舱的舱门均采用了大尺寸的方形舱门。在转移机构和机械臂配合下，航天员不便搬运的载荷可以被迅速送出舱外或接回舱内。这对于未来大型舱外设施维修维护等保障

▲ 梦天实验舱水下模型展现载荷进出舱开口

工作是非常有利的。

优势之三，“舱内外过渡”应用拓展。

载人航天活动的重要目的之一是发挥人在现场的作用，既包括航天员处置问题时的主观能动性，也包括充分发挥人工操作技巧。然而，航天员在舱内与舱外的工作能力，尤其是精细操作能力，有天壤之别。舱外活动时，受舱外服和手套等限制，航天员的观察、操作空间及工具使用能力等均受到极大限制，即便使用专门设计的专用工具，也远远无法达到舱内作业的精准水平。相比之下，只要工具合适，地面能进行的工作都可以由航天员舱内在轨完成。