“夢”見天宮——揭秘夢天實驗艙及研制歷程

“ ，一，L，T……”
從“空白”到“一”字構型，又到L字構型，再到即將形成的T字構型，這幾個簡單的符號，是載人航天工程30年的心血。從“921工程”立項到今天夢天艙成功發(fā)射，中國載人航天工程終于要寫到第三個故事的終章了。

長征五號B火箭托舉夢天艙升空。宿東 攝

“夢天”，是最后出現(xiàn)的主角之一。

“螺螄殼里做道場”

夢天實驗艙由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個艙段組成，艙體全長17.88米，最大直徑4.2米，發(fā)射質量約23噸，配備的大型柔性太陽電池翼發(fā)電功率可達13.5千瓦，展開面積達138平方米。艙內配置13個標準載荷機柜，艙外配置37個載荷安裝工位，支持在空間站開展科學實驗的能力更強。

這是官方介紹的“夢天”，但“夢天”的背后還有個鮮為人知的故事。
2012年5月23日，國家在空間站系統(tǒng)相關分工定點的批復中明確，中國航天科技集團八院負責空間站實驗艙II總體研制工作。方案伊始，實驗艙II叫巡天光學艙，彼時巡天望遠鏡只是該實驗艙的組成部分。但由于空間站運行過程中多余物、振動、調姿態(tài)、軌控等因素會干擾望遠鏡運行，巡天望遠鏡的觀測指向又會對空間站運行產生干擾，二者互相矛盾。

后經我國航天實力提升和多重考慮，巡天望遠鏡從該實驗艙中獨立出去，與空間站伴飛。

這是個兩全其美的事情，但打了夢天實驗艙團隊一個措手不及。這意味著他們之前的設計面臨著大面積改動，甚至是推翻重來。沉沒成本和任務時間節(jié)點在即的雙重壓力讓團隊的每個人都陷入沉思。
“經過重新設計，我們將‘夢天’定位為航天員工作的地方，支持在艙內外開展各種科學實驗?！卑嗽?05所高級工程師、主任設計師樊萍說。

科研團隊與夢天艙合影。八院供圖

新方案在維持原有結構構型和平臺功能不變的基礎上，創(chuàng)新性提出了“貨物氣閘”功能，增加了貨物進出氣閘艙，巧妙地采用嵌套式結構構型，“三艙”變“四艙”。

重新設計的“夢天”工作艙在最前端，通過對接機構與核心艙相連，面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理及航天技術試驗等多學科方向共13個實驗柜，并為航天員提供了近32立方米的“夢工場”工作室。載荷艙與貨物氣閘艙則是采用獨特的“雙艙嵌套”形式相連，即在載荷艙內部隱藏著一個貨物氣閘艙，“主打”貨物出艙專用通道。在最前端的資源艙，則是對日定向裝置和柔性太陽翼等安裝的地方。

“新設計的實驗艙還解決了大尺寸載荷無法從氣閘艙出艙的難題，用上海話講，就是‘螺螄殼里做道場’。”夢天實驗艙計劃經理劉慧穎說。他們還為載荷艙配備了兩塊展開式暴露平臺和一塊內嵌的固定式暴露平臺，足足有15平方米，可配置數(shù)量眾多的艙外暴露載荷點位。
可以說，如今的“夢天”，是我國建成世界先進水平的國家級太空實驗室的最大助力。

“以貨為主”和“以人為本”

載人航天的核心是人。

開展載人航天的重要目的之一，是發(fā)揮人在現(xiàn)場的作用，如處置問題的主觀能動性及人類精巧的操作能力。但在艙內和艙外，人的工作能力，尤其是精細操作能力，差別很大。

在艙外活動時，受艙外航天服和手套的限制，人的觀察效果、操作空間及工具使用能力等均受到極大限制，即便在進行專門設計且采用專用工具的條件下，也遠遠無法達到艙內作業(yè)的精準水平。而在艙內，可以說，只要工具合適，在地面能進行的工作，航天員在軌都可完成。

近看夢天艙。八院供圖

于是，“夢天”提供了獨特的貨物自動進出艙功能，在太空中為航天員創(chuàng)造了更合適的工作條件，做到“以貨為主，卻以人為本”。

與問天實驗艙不同，“夢天”的氣閘艙不再作為航天員出艙使用， 而是一條專供貨物出艙的通道。在這之前，一般是通過航天員“出艙帶貨”進行艙內外貨物的轉移、安裝，但這種方式往往會受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與大小的限制，而且航天員頻繁進行出艙活動還將面臨空間環(huán)境中更為復雜的安全考驗。

“夢天”的貨物氣閘艙采用“內艙門+外艙門”雙門設計：通往工作艙的內艙門，是隔離艙內與艙外空間環(huán)境的關鍵設備；面向地球一側的外艙門，則是貨物通往艙外的出艙口。為了保障航天員在軌安全，內外兩道艙門不會同時開啟。

以貨物出艙任務為例，航天員在艙內將載荷設置好，安裝在自動轉移機構上；人員撤離氣閘艙，回到工作艙并關門；氣閘艙泄壓；開出艙艙門，轉移機構將載荷送出艙；機械臂抓住并帶走載荷；轉移機構撤回艙內；人員可進入氣閘艙開展正常工作。

“載荷轉移機構的運送能力達到400公斤，單次運送貨物包絡尺寸可達1.15米×1.2米×0.9米。”劉慧穎說。

應用貨物氣閘艙之后，將不再需要航天員著艙外航天服送載荷出去或接回，極大地降低了此類操作的安全風險，還能延長航天服的使用壽命。

室內的夢天艙與現(xiàn)場工作人員。

自動氣閘艙正好提供了一個艙內外過渡的工作間，可以將大型載荷的部件在此進行裝配和測試后，整體送出艙外。艙外的載荷也可以先搬到這里，經過復壓后，由航天員以艙內操作的方式進行拆解、維修、維護等工作。

更進一步，航天員還可以在夢天艙內裝配微小衛(wèi)星，并由機構轉移至艙外釋放。

“‘夢天’可支持36U立方星或百公斤級微衛(wèi)星在軌組裝并自動釋放。”空間站夢天實驗艙機械總體主任設計師李立春說，“1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米，大概一個手掌可以抓住?！?/p>

“1+1+1=1”

空間站三艙系統(tǒng)統(tǒng)一，是我國空間站的獨特優(yōu)勢。

繼“天和”“問天”之后，“夢天”一旦轉位對接并完成系統(tǒng)集成，將使中國的天宮空間站再次產生質的飛躍。

縱觀世界上的空間站，和平號空間站艙段布置于多個平面，太陽翼遮擋問題突出。而整個國際空間站非常依賴星辰號服務艙這個核心艙進行姿軌控，一旦該艙出現(xiàn)問題，整體將很受影響。

天宮空間站在分析借鑒和平號空間站、國際空間站的設計理念及經驗、教訓基礎上，突出強調空間站三個艙段的系統(tǒng)統(tǒng)一。艙外活動有雙氣閘艙備份，姿軌控有“天和”和“問天”備份，“夢天”也可以在關鍵功能方面進行備份。三艙分布在同一平面，保證太陽翼不發(fā)生遮擋問題……通過3次發(fā)射分步實施，在軌完成組裝建造，形成功能強大、完整的70噸級“天宮”，在適度規(guī)模的條件下可以取得較高的研制效益，獲得高效率的資源利用和更強的系統(tǒng)冗余。

中國空間站T字構型效果圖。八院供圖

“夢天”對接轉位后，將用一周左右時間把自身資源融入空間站組合體，與空間站其它兩艙實現(xiàn)控制、能源、信息、環(huán)境等功能的并網管理。屆時，空間站將完成繼“問天”組裝后再一次系統(tǒng)集成。

一方面，系統(tǒng)集成后，三艙能源并網后統(tǒng)一管理，兩個實驗艙可以跨艙進行能源調配，并通過熱控散熱回路連通，實施與能源供應匹配的散熱能力調配。

例如，如果“夢天”載荷啟動較多，僅靠本艙發(fā)電，可能缺電1千瓦，便可從“問天”調配1千瓦電進入供電網。同時，“夢天”可將自己多產生的熱量傳輸?shù)健皢柼臁?，通過“問天”的輻射器安全排散。

另一方面，系統(tǒng)集成后，三艙平臺和載荷信息能夠實現(xiàn)統(tǒng)一管理。各種信息網絡實現(xiàn)大聯(lián)合，平臺總線、載荷以太網及其配備的WiFi均完成并網，可實現(xiàn)系統(tǒng)無差別監(jiān)視管理任何艙段的設備，有利于實現(xiàn)整站載荷資源的統(tǒng)一分配和動態(tài)管理。

夢天艙在軌組裝效果圖。八院供圖

此外，系統(tǒng)集成后，三艙為航天員提供的生活、工作環(huán)境可以實現(xiàn)統(tǒng)一管理。三艙組合體密封空間連通，形成完整的空氣循環(huán)，空氣壓力、成分及溫濕度都能得到統(tǒng)一控制，并隨著空氣流動均勻化，可讓航天員在各艙段內都處于適宜的環(huán)境中。

通過系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)對各艙段內設備按需調配和重構，在控制系統(tǒng)和機械臂應用等方面也都會有不同程度的改變，這均得益于我國空間站超前的系統(tǒng)設計。

如今，“夢天”作為國家級太空實驗室主力艙段，將大幅度提升我國空間站在軌進行科學實驗的能力，在技術開發(fā)應用、生物學、物理學等一大批前沿領域或將有新的關鍵性突破發(fā)現(xiàn)，進而推動科技發(fā)展，“拉近”遙遠的未來。

彼時，在更遠的深空，會有中國人的足跡留下。