7月24日下午，長征五號B遙三運載火箭托舉著問天實驗艙一飛沖天。約13小時后，問天實驗艙與核心艙組合體成功交會對接。7月25日10時3分，神舟十四號航天員乘組成功開啟問天實驗艙艙門，順利進入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學(xué)實驗艙。

“問天”長啥樣？帶了什么上天？能做哪些實驗？有哪些黑科技……“問天”十問，詳細解讀中國空間站問天實驗艙發(fā)射任務(wù)。

圖為7月25日在北京航天飛行控制中心拍攝的神舟十四號航天員乘組進入問天實驗艙。這是航天員陳冬進入問天實驗艙。

一問：“問天”長啥樣？

問天實驗艙是中國空間站第二個艙段，也是首個科學(xué)實驗艙，主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展空間科學(xué)實驗，同時可作為天和核心艙的備份，對空間站進行管理。

“問天實驗艙艙體總長17.9米，直徑4.2米，發(fā)射重量約23噸，是我國目前最重、尺寸最大的單體飛行器。”航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總體主任設(shè)計師張昊介紹。

二問：“問天”為何“零窗口”發(fā)射？

“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行交會對接，因此，必須在規(guī)定時間發(fā)射，也就是‘零窗口’發(fā)射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調(diào)整軌道，甚至導(dǎo)致發(fā)射終止，那就需要等待下一個發(fā)射窗口重新組織發(fā)射，嚴重影響任務(wù)周期。”航天科技集團一院長征五號B運載火箭總體副主任設(shè)計師劉秉說，這次發(fā)射是長五系列火箭首次執(zhí)行“零窗口”發(fā)射任務(wù)。

劉秉介紹，長征五號B運載火箭應(yīng)用了起飛時間偏差修正技術(shù)，最大修正時間為2.5分鐘。“通俗理解，在0到2.5分鐘這個時間段內(nèi)的任一時間點發(fā)射，火箭都可以在飛行過程中自動修正因推遲發(fā)射導(dǎo)致的飛行偏差，將實驗艙精準送入預(yù)定軌道。”劉秉說。

三問：“問天”如此龐大，如何“穿針引線”？

問天實驗艙尺寸大、太陽翼柔，升空時具有發(fā)動機推力相對更小、羽流干擾更大等特點，多種情況耦合，給交會對接帶來諸多難題。航天科技集團五院問天實驗艙GNC分系統(tǒng)副主任設(shè)計師宋曉光說：“前輩留下了很多經(jīng)驗，包括一些算法和策略，我們在這個基礎(chǔ)上針對問天實驗艙做了大量的設(shè)計和仿真驗證。”

“具體措施，一方面是把參數(shù)搞準，另一方面是在算法上做到有更強的適應(yīng)能力。”宋曉光說。

四問：航天員能立刻進入“問天”嗎？

25日3時13分，問天實驗艙與天和核心艙組合體完成交會對接。約7個小時后，神舟十四號航天員乘組進入問天實驗艙。為什么航天員在交會對接后沒有立即進入問天實驗艙？

“發(fā)射并完成對接后，航天員是不能直接進入問天實驗艙的。航天員首次進入至少需要以下步驟：首先是提前啟動艙內(nèi)有害氣體凈化功能，建立滿足進人條件的環(huán)境，包括艙內(nèi)的壓力、溫度、濕度和風(fēng)速等，有些工作從地面就已經(jīng)開展了；第二步是確保天和核心艙、過道和問天實驗艙壓力都一致平衡了，才可以輕松打開艙門。”航天員中心問天實驗艙環(huán)控生保分系統(tǒng)主任設(shè)計師羅亞斌說。

進入問天實驗艙后，航天員馬上又要進行忙碌的整理工作，包括物資搬運、生活環(huán)境布置、科學(xué)實驗準備、出艙活動準備，將“太空之家”布置得更加合理、寬敞、舒適。

五問：“問天”帶了什么上天？

問天實驗艙由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。問天實驗艙中的工作艙近10米長，是我國目前最大的載人密封航天器艙體。工作艙后面緊接著是氣閘艙，以后專門用于航天員出艙。再后面就是資源艙。

問天實驗艙艙內(nèi)主要設(shè)備布局在工作艙，裝載了8個實驗柜，包括生命生態(tài)實驗柜、生物技術(shù)實驗柜、變重力科學(xué)實驗柜、科學(xué)手套箱、低溫存儲柜以及3個為后續(xù)預(yù)留的空置實驗柜，還有3個睡眠區(qū)、1個衛(wèi)生區(qū)，以及平臺飛行所需要的設(shè)備。“艙外還裝載了22個載荷適配器，就像是把一個大型科學(xué)實驗室搬到了太空。”張昊說。

六問：“問天”能做哪些實驗？

問天實驗艙的主要任務(wù)是進行生命科學(xué)和生物技術(shù)研究，艙內(nèi)最具“含金量”的當(dāng)屬8個寬1米、高1.8米、深0.8米的科學(xué)實驗柜。

載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總師、中科院空間應(yīng)用中心研究員呂從民介紹，生命生態(tài)實驗柜將開展擬南芥、果蠅、斑馬魚等動植物的空間生長實驗；生物技術(shù)實驗柜開展細胞組織培養(yǎng)、空間蛋白質(zhì)結(jié)晶與分析、蛋白與核酸共起源和空間生物力學(xué)等實驗；變重力科學(xué)實驗柜支持開展微重力、模擬月球重力、火星重力等不同重力水平下的復(fù)雜流體物理、顆粒物質(zhì)運動等科學(xué)研究；科學(xué)手套箱提供潔凈密閉空間和溫濕度環(huán)境控制，配置靈巧機械臂具備細胞級精細操作能力，為航天員操作多學(xué)科實驗樣品提供安全、高效支持；從-80℃到4℃的低溫存儲柜，能夠滿足不同實驗樣品的不同溫度需求。

實驗艙外部署了能量粒子探測器、等離子體原位成像探測器，為航天員健康、空間站安全運營提供保障支持，并可用于空間環(huán)境基礎(chǔ)研究。

七問：“問天”與“天和”如何分工合作？

相比一個飛行器或者一個航天器來說，多個航天器的組合，控制起來更復(fù)雜。張昊介紹，問天實驗艙跟天和核心艙對接完成后，要把這兩個艙段的組合體作為一個整體來進行控制，核心艙作為主控艙段，問天實驗艙是從屬地位，同時問天實驗艙的平臺功能與天和核心艙互為備份。

八問：“問天”柔性太陽翼的功能是什么？

問天實驗艙所攜帶的太陽翼，是目前國內(nèi)最長最大的柔性太陽翼，刷新了我國航天器在軌使用太陽帆板的紀錄。

宋曉光介紹，太陽翼采用了雙軸控制，在艙體姿態(tài)不做調(diào)整的情況下，就能隨時調(diào)整朝向。

空間站在軌建造完成后，天和核心艙的一個太陽帆板將轉(zhuǎn)移到問天實驗艙資源艙的尾部。屆時，問天實驗艙將成為名副其實的“主發(fā)電站”，為組合體源源不斷地供電送能。

九問：“問天”小機械臂能完成什么工作？

與天和核心艙一樣，問天實驗艙也搭載了一個機械臂。相比于核心艙配備的展開長度達10米、最大承載質(zhì)量25噸的大機械臂，問天實驗艙的機械臂要顯得更“短小精悍”。

張昊介紹，大機械臂手臂夠長，轉(zhuǎn)移范圍更大，作業(yè)半徑近10米；力氣夠大，簡直是一個“大力士”，可以抓住并轉(zhuǎn)移一個完整的航天器。

相比之下，問天實驗艙的小機械臂長度約5米，承載能力為3噸，但這個“小手”的設(shè)計目的就是抓握中小型設(shè)備，進行更為精細化的操作。

比如，它可以在不需要航天員出艙的情況下，獨立完成艙外載荷的安裝、更換等照料操作，可以有效節(jié)省航天員在軌工作負荷。

大小機械臂還可以組合使用，組成約15米長的組合臂，開展更多的艙外操作。“我們可以將大小機械臂視為人的兩只手，互相交接?xùn)|西，協(xié)作使用；也可以將兩只手臂攥在一起，形成一個更長的機械臂，可以進行覆蓋整個空間站表面的一些操作和爬行需求。”張昊說。

十問：“問天”上還有什么“黑科技”？

空間站建造過程中“惜重如金”，但此次問天實驗艙攜帶了4個100多公斤的大家伙，學(xué)名叫控制力矩陀螺，已經(jīng)升空的核心艙攜帶6個、天舟四號攜帶1個，隨后天舟五號還將攜帶1個，12個控制力矩陀螺聯(lián)合使用，就可以使超過100噸的空間站的姿態(tài)控制“坐如鐘、行如風(fēng)”。

“通過控制力矩陀螺不同速度的轉(zhuǎn)動，能夠有效控制航天器的姿態(tài)，減少通過燃燒燃料推動航天器姿態(tài)調(diào)整的消耗，是一款節(jié)能神器。”宋曉光說。

我國第一臺控制力矩陀螺，是2011年隨天宮一號上天的。它的在軌應(yīng)用是我國空間機電部件發(fā)展的一個里程碑，使我國成為國際上第三個掌握該技術(shù)的國家。

（據(jù)新華社）