中国空间站的重大时刻

2022年10月31日15时37分，中国空间站第三大舱段——梦天实验舱搭乘长征五号 B 遥四运载火箭，在我国文昌航天发射场成功发射，并准确进入预定轨道。11月1日4时27分，成功对接于天和核心舱前向端口。三舱组合体，以偏 T 字构型在近地轨道在轨飞行。11月3日9时32分，空间站梦天实验舱顺利完成转位，中国空间站终于迎来三舱“T”字基本构型在轨组装完成的重大时刻！从“一”到“L”，再到“T”，这是中国空间站的“太空变形记”，也是一代代中国航天人接续奋进的印记。未来还可能在机械臂的辅助下进行扩展舱段的组装，进而形成“十”字、“干”字形等扩展构型。

“T”字构型有三大好处

“中国空间站‘T字基本构型各舱段平展布局极大的提升了对应用载荷的支持能力”，中国航天科技集团八院梦天实验舱总体主任设计师吴军表示，“T”字构型使得中国空间站稳稳的飞行在太空，宛如给中国梦插上了翅膀，极好地诠释了中国特色和时代特征。这一构型方案契合国情，特色鲜明，“这就是中国空间站该有的模样。”吴军称。

通常而言，为了使航天器易于运动控制，其构型要保证主结构和质量分布尽量对称、紧凑，确保航天器的质心居中，从而减少因姿态控制所消耗的能量。曾经，俄罗斯的和平号空间站就因对接了多个实验舱后出现不对称的情况，使得质心不居中，导致和平号为了控制姿态消耗了较多能量。而中国空间站的三个舱采用水平对称、“T”字构型，这样有三大好处，首先是能够保证质心居中，节省姿态控制所需要的能量，其次是两个实验舱的气闸舱分别位于“T”字一横的端头，因此在正常泄压或异常隔离时，均不会影响其他密封舱段构成连贯空间，从而能够保证它的安全性。最后是“T”字构型能使装在两个尺寸、质量、大小一致的实验舱末端的大型太阳能电池翼不管空间站以何种姿态飞行，都能够照上太阳。

据了解，随着中国空间站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。因此中国航天科技集团八院共为中国空间站配备了2种规格6套大型柔性太阳翼，其中问天和梦天两个实验舱的末端各配备了2套plus版大型柔性太阳电池翼，单套太阳翼展开面积达到138平方米，单个功率高达18千瓦，两舱的4个太阳电池翼让空间站日发电量可达近1000千瓦时，相当于一个普通家庭近半年的用电量，为中国空间站三舱组合体提供80%的能量，在满足舱内搭載的天文、地理、生物、医学等各类科学仪器正常运转的同时，也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

“只有当中国空间站三舱组合完毕，并且形成‘T字构型，我们才能说实现了预定的设计目标”，中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师柏林厚称，中国空间站的三个主体舱段只有实现了“T”字基本构型，空间站上的供电，信息和热控等系统才能进入最佳工作状态，从而为开展较大规模的空间应用实验提供保障，因此，三舱形成“T”字基本构型对完成空间站全面建造具有标志性意义。

梦天实验舱背后的“硬科技”

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。该系统产生的高精度时间频率信号，利用安置于舱外的微波和激光时间频率传递载荷向地面和空间一定范围传递高精度时间频率信号。

作为空间站科学和技术实验平台之一，高精度时频系统研制目标是为相关精密测量物理提供研究平台，为相关工程技术应用提供高精度时频信号。

此外，中国空间站上搭载的天文、地理、生物、医学等各类科学仪器将陆续工作，航天员的日常生活也离不开能源，传统的刚性、半刚性太阳电池翼因其体积、重量、功率等因素限制无法满足需求，而柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高，收拢后厚度只有18厘米，与一部手机长度相当，仅为刚性太阳翼的八分之一。

梦天舱是如何转位的

为什么不能在实验舱发射后，通过侧向交会对接，直接到天和核心舱的两侧呢？中国航天科技集团五院专家介绍说，有两方面原因：一是实验舱与空间站组合体进行侧向对接，会因为质心偏差对空间站姿态造成较大影响，甚至可能会有滚转失控的风险；二是根据空间站建造方案，两个实验舱将在天和核心舱的侧向永久停泊，如果选择侧向交会对接，首先需要在天和核心舱两个侧向端口分别配置一套交会对接设备，并且这两套设备只能使用一次，造成资源的浪费。由此可见，两个实验舱先与核心舱进行前向交会对接，再通过转位移至核心舱侧向停泊口的方案设计是最优的。

不过，两个实验舱在转位任务安排上有些差异。问天实验舱在经过发射和交会对接后，开展了航天员出舱等一系列任务，而后开展转位。与问天实验舱不同，梦天实验舱在发射、交会对接后直接转位，待形成“T”字构型组合体后，再开展在轨测试、航天员驻留等任务。

为确保梦天实验舱转位任务顺利实施，中国航天科技集团五院研制团队精心安排、周密部署，制定了转位方案。转位过程中，测控与通信分系统在天地间搭建起畅通的通信链路，传输高清图像，使得整个转位过程100%受控；机械臂分系统始终作为转位机构的备份手段，保障平台安全；各分系统的高效配合，使得此次任务仅用约1小时就圆满完成。

“梦天”比“问天”难在哪儿

“梦天实验舱与3个月前发射的问天实验舱个头差不多，但是交会对接过程却是难上加难。”航天科技集团五院502所空间站实验舱主任设计师宋明超介绍，成功驾驭“梦·天之吻”的幕后神兵，正是由该所研制的制导导航与控制（GNC）系统。

“梦·天之吻”的第一个难关是此次交会对接任务最大的危险点：梦天实验舱入轨后与太阳夹角较大，太阳翼发电能力有限，能源紧缺，如果不能在规定时间内完成交会对接，就需要中断自主交会对接过程，紧急调整梦天实验舱姿态，让它连续对日定向以保证能源供应。

为此，技术人员为梦天实验舱特别定制了交会对接任务故障预案，将各种可能发生的故障充分体现在“故障树”上，通过开展大量的预演预判和试验验证工作，确保故障止于预想、不留缺憾。

“梦·天之吻”的第二个难关是“问·天”交会对接时组合体只有天和核心舱的对称构型，而“梦·天”交会对接时组合体是“L”形的非对称构型，这就显著增加了空间站在轨姿态控制的难度。“一是‘L构型的组合体质心发生较大的横向偏移，增加了轨道控制和姿态控制之间的关联，组合体自身控制难度加大；二是梦天实验舱在接近组合体时需要开启反推发动机减速，发动机的羽流会干扰组合体的姿态，让‘梦·天之吻变得更难。”宋明超进一步解释。

在技术人员的精心指导下，梦天实验舱GNC系统精准识别了实验舱和组合体的相对距离及相对姿态，逐步接近并最终实现高精度的交会对接。

（综合人民日报客户端、新华社讯、《光明日报》等）