梦天实验舱里的“百宝箱”

2023-06-25本刊综合

发明与创新·中学生 2023年7期

本刊综合

空间站梦天实验舱配置的航天基础试验机柜（以下简称“试验机柜”）给各类在轨载荷提供机、电、热、信息等保障条件，支持各类试验项目在轨滚动实施，为航天新技术的创新发展提供了强大的验证平台。该试验机柜在轨以来，成功开展功能测试和部分载荷试验。

那么，该试验机柜中究竟藏有哪些“宝贝”？

空间“私人定制”

考虑到空间站运营期间试验机柜平台能力的升级换代，试验机柜结构需满足设备在轨更换的条件，以便航天员高效快速地完成相关操作。试验机柜在设计上支持在轨翻转，可为航天员在轨维护、维修提供最佳操作体位，模块化的布局设计便于试验机柜平台按功能分区升级优化。

根据试验载荷不同，兼顾用户需求和模块化设计成为解决多样化需求和载荷接口标准化的最佳方式。试验机柜的结构机构子系统可提供13种试验空间，按照用户需求组合安装载荷单元，在轨实现自由匹配，通过“私人定制”模块化空间，让不同类型的“抽屉”像方块一样填满整个试验机柜。

此外，研制人员通过3D打印生成轻型化的螺旋电缆，为试验载荷提供充足配电和信息支持的同时，还可随载荷单元将人机操作界面伸出柜体，使航天员实现可视、可达的高效操作，堪称试验载荷的“生命脐带”。

管家“冷暖掌控”

载荷试验会产生热量，这就需要热控子系统对载荷环境的温度进行管理。如果将试验机柜比喻成一栋大楼，那么这栋大楼最多可容纳13位房客（试验载荷），热控子系统就是这栋大楼的环境管家——别看它的体量不大，配置可不低，包括通风子系统、液冷子系统和抽真空子系统，总散热能力不小于1500瓦。

热控子系统为每个“房间”都配置了“中央空调”——通风子系统。每个载荷在侧面均开设了通风孔，背部开设了回风口，通过载荷风机驱动，使冷风从通风孔进入载荷单元内部，由回风口带出热量进入风道汇总，最后通过气液换热器将热量传递给冷却液路并将其带走。

每个回风口都安装了风量调节阀，可根据“个人”体质调节，既能“因人而异”，又能合理分配有限的资源。“房客”若是“高热耗载荷”，液冷子系统还会为其准备一张“水床”（冷板），让高热耗设备“躺”在上面，通过流动的液体带走热量。液冷子系统可以为0位、1位、2位“高热耗载荷”服务，实现载荷的在轨重构和更换。

“房客”还可通过抽真空子系统在真空环境开展试验。软管和气路快速断接器可将试验载荷与抽真空系统连接，打开阀门后，载荷空间的气体就能被排散到外太空。

能量信息流安全、可靠

配电子系统为试验机柜本体和试验载荷提供充足能源。该系统能否正常工作，直接关系到试验机柜各试验装置的任务成败和航天员的操作安全。

为确保供电系统绝对安全，研制团队在设计配电通路时，提供了多条供电故障模式对策。尤其是针对整柜母线无法断电的情况，开发出指令与手动开关可同时断电的工作模式，让航天员可以手动完成试验机柜的紧急断电操作。

针对多载荷能量传输，研制团队创新设计理念，不仅满足集成化和轻量化的设计要求，大幅减少自重和体积，还提高了整个配电子系统的安全性、可靠性和灵活性。

电连接器和线缆是试验机柜传输数据的基础。低频电缆、以太网电缆、总线电缆、螺旋电缆……针对试验机柜内复杂度极高的电缆设计，研制团队根据试验机柜本体结构、设备布局、空间环境等多约束条件，采用分布式配电架构和标准化电缆网设计，实现了最小代价的区域配电以及最小耦合关系的电气连接。

“神经系统”联动天地

信息管理子系统搭建的“神经系统”作为信息控制中枢，可以控制试验机柜和试验载荷在轨正常运转。该子系统使用的光纤通信链路是试验机柜和外部空间应用系统的唯一数据传输通道，承担着交换与打包柜内载荷数据、处理和分发上行指令数据的重任，是试验机柜对外通信的“第一道大门”。

信息管理子系统还配置综合管理设备，既实现了柜内4路载荷的配电和热控产品的配电、控制功能，又肩负着载荷的采集、遥测、下传、转发指令等重任。同时，该子系统配置的无线收发设备还可支持无线终端快速接入，保障舱内高速Wi-Fi全覆盖。针对大容量载荷数据的在轨存储设计了简便易懂的文件存储架构，为载荷数据的存储与回放提供可靠的技术支撑。