問天實(shí)驗(yàn)艙入軌后，順利完成狀態(tài)設(shè)置，于7月25日3時(shí)13分，成功對接于天和核心艙前向端口，整個(gè)交會對接過程歷時(shí)約13小時(shí)。按任務(wù)計(jì)劃，神舟十四號航天員乘組隨后將進(jìn)入問天實(shí)驗(yàn)艙。更大、更強(qiáng)的問天實(shí)驗(yàn)艙背后，航天科技集團(tuán)五院多家單位為“問天”之路保駕護(hù)航。
打造舒適安全的“太空之家”
問天實(shí)驗(yàn)艙在安裝通用電子設(shè)備的同時(shí)，艙內(nèi)也安裝了更多的試驗(yàn)載荷，而艙外更是布置了各種高熱耗的暴露試驗(yàn)載荷。為避免問天實(shí)驗(yàn)艙成為“大烤箱”，五院空間站問天實(shí)驗(yàn)艙熱控團(tuán)隊(duì)研制了一套目前國內(nèi)最大的“太空空調(diào)”系統(tǒng)——包括量身定制的太空外衣、密閉隔艙內(nèi)的風(fēng)冷系統(tǒng)和遍布整艙的液冷系統(tǒng)。
“太空空調(diào)”的核心是遍布各個(gè)位置的液冷系統(tǒng)。熱控團(tuán)隊(duì)為問天實(shí)驗(yàn)艙研制了3套液冷系統(tǒng)，將各種設(shè)備和實(shí)驗(yàn)載荷產(chǎn)生的熱量收集并輻射到外太空，可支持?jǐn)?shù)千瓦級以上試驗(yàn)載荷的散熱。同時(shí)，研制人員開發(fā)了大尺寸、高效界面導(dǎo)熱材料，兼顧了艙外載荷維修和導(dǎo)熱的雙重目的。
在艙體密封方面，五院空間站結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高性能空間橡膠密封材料，針對大密封艙穿艙接口多、密封長度長的特點(diǎn)，制定了超低漏率的密封技術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在艙門密封關(guān)鍵部位設(shè)置了兩道、三道密封冗余環(huán)節(jié)，有效提高了密封可靠性。除此之外，艙體上還集成了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對艙體結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步保障航天員駐留安全。
姿態(tài)控制有“神器”
此次問天實(shí)驗(yàn)給空間站帶來了4個(gè)重達(dá)100多公斤的“大家伙“——控制力矩陀螺。中國空間站使用的是目前我國該類產(chǎn)品中最大的1500牛米秒控制力矩陀螺，將配備12臺，此前有6臺隨核心艙上天，1臺隨天舟四號上天，后續(xù)的天舟五號還會再“捎”上去1臺。多個(gè)控制力矩陀螺聯(lián)合使用，就可以使總重量超過100噸的空間站的姿態(tài)控制“坐如鐘、行如風(fēng)”。
我國第一臺進(jìn)入太空的是200牛米秒控制力矩陀螺，于2011年隨天宮一號上天，它的在軌應(yīng)用是我國空間機(jī)電部件發(fā)展的一個(gè)里程碑，使我國成為國際上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國家?？臻g站任務(wù)把控制力矩陀螺在中國航天器上的使用提高到了一個(gè)新高度。相比第一代產(chǎn)品，新研制的控制力矩陀螺控制精度甚至有10倍提升、響應(yīng)帶寬有5倍提升，并具有精度高、響應(yīng)快、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足我國未來數(shù)年內(nèi)各類空間飛行器的姿態(tài)控制要求。
精雕細(xì)琢造“問天”
建造問天實(shí)驗(yàn)艙，挑戰(zhàn)更多、難度更大，五院529廠工藝技術(shù)人員憑借技術(shù)創(chuàng)新開展了頑強(qiáng)的沖鋒，創(chuàng)新突破了工藝瓶頸，研發(fā)了系列關(guān)鍵技術(shù)，保證了問天實(shí)驗(yàn)艙按節(jié)點(diǎn)高質(zhì)量交付。
問天實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙肩負(fù)著多種設(shè)備安裝的重任，對重要承力結(jié)構(gòu)件的要求很高。為此，研制人員采用了承力能力更高的內(nèi)外雙筋壁板結(jié)構(gòu)。然而這一操作的成形實(shí)施難度很大，要求很高。研制人員開展了大量論證，進(jìn)行了持續(xù)的數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過反復(fù)分析測試，設(shè)計(jì)出新型的模具并滿足了需求。
問天實(shí)驗(yàn)艙的出艙艙門，其門框由焊接工藝連接，是典型的空間曲線焊縫，要求焊接變形小、質(zhì)量高，以便于后續(xù)安裝艙門時(shí)的順暢和航天員在空間站中的使用。問天實(shí)驗(yàn)艙產(chǎn)品焊接厚度增加，給焊接帶來了難度。研制人員采用空間曲線自動化焊接，設(shè)計(jì)了可柔性變化的焊接工裝，順利完成了密封艙艙門門框的焊接。
問天實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)的增大，艙壁加熱管路的數(shù)量進(jìn)一步增加，對曲面貼合度提出了更高的要求。為此，研制人員創(chuàng)新提出了“柔性分區(qū)+整體成形”的技術(shù)手段，以管路三維曲面高精度制造，貼合在問天實(shí)驗(yàn)艙艙體的內(nèi)表面上，保證了艙壁加熱管路的制造需求。
打造通信傳輸“天路”
五院西安分院為問天實(shí)驗(yàn)艙研制中繼終端、天線網(wǎng)絡(luò)以及儀表計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，為問天實(shí)驗(yàn)艙的太空之旅全程護(hù)航。
問天實(shí)驗(yàn)艙在進(jìn)入太空后，中繼終端在第一時(shí)間開機(jī)。隨后，中繼終端與天鏈中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)“太空握手”建立星間鏈路，搭建起從問天實(shí)驗(yàn)艙到中繼衛(wèi)星再到地面的“太空天路”。
問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，需精確定位空間站天和核心艙的位置，并完成對接。天線網(wǎng)絡(luò)通過提供專門的測控與通信信號傳輸通道，為問天實(shí)驗(yàn)艙與地面建立高速、暢通無阻的指揮和反饋信息通道，確保問天實(shí)驗(yàn)艙順利找到“太空新家”。
儀表計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件作為問天實(shí)驗(yàn)艙儀表數(shù)據(jù)處理中樞系統(tǒng)，承擔(dān)著儀表艙儀表與照明分系統(tǒng)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)信息處理的功能。此次儀表計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件在保持天和核心艙功能不變的基礎(chǔ)上，增加了與天和核心艙的數(shù)據(jù)交會，數(shù)據(jù)量會大大增加。
“航天調(diào)音師”有妙招
在問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部，安裝有大量壓氣機(jī)、泵、風(fēng)扇等設(shè)備，且由于空間生命科學(xué)研究任務(wù)所需，搭載了“太空冰箱”等諸多“不太安靜”的設(shè)備，這些設(shè)備工作的噪聲疊加在一起，就構(gòu)成了空間站內(nèi)的復(fù)雜噪聲環(huán)境。
五院總裝與環(huán)境工程部空間站力學(xué)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)化身“航天調(diào)音師”，對問天實(shí)驗(yàn)艙噪聲進(jìn)行評估與治理，為航天員打造安靜舒適的“太空之家”。
解決噪聲問題分為兩步，第一步就是要找準(zhǔn)“大嗓門”。由于問天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部設(shè)備較多，噪聲環(huán)境復(fù)雜，試驗(yàn)人員在地面模擬艙內(nèi)噪音源，并找出那些噪聲最大、影響最明顯的設(shè)備，進(jìn)行更精準(zhǔn)、更嚴(yán)格的噪聲治理。第二步就是要讓設(shè)備“靜下來”。艙內(nèi)設(shè)備的噪聲成因、安裝位置、體積大小各不相同，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)“對癥下藥”：對噪聲較大的“太空冰箱”的關(guān)鍵泵機(jī)進(jìn)行了開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，并選用新型附著材料提升結(jié)構(gòu)的阻尼，降低各環(huán)節(jié)的噪聲；給以振動為主的噪聲源穿上金屬橡膠定制的松軟舒適的“鞋子”；把以聲輻射為主的噪聲源放在隔聲比較好的盒子里……經(jīng)過噪聲治理，問天實(shí)驗(yàn)艙工作區(qū)噪聲可保持在60分貝以下，睡眠區(qū)可保持在50分貝以下，滿足相關(guān)醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求。
小小“天眼”攜“臂”行
問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，面對后續(xù)天和核心艙與問天實(shí)驗(yàn)艙的轉(zhuǎn)位對接任務(wù)，核心艙大機(jī)械臂上的5臺小相機(jī)隨時(shí)準(zhǔn)備著。
空間站核心艙機(jī)械臂上安裝有5臺小相機(jī)，均來自于五院508所。按照功能不同，分別分布于機(jī)械臂的“肩關(guān)節(jié)”、“腕關(guān)節(jié)”、“肘關(guān)節(jié)”和空間站核心艙上，用9只“眼睛”服務(wù)于核心艙與實(shí)驗(yàn)艙的轉(zhuǎn)位對接等任務(wù)。目前，它們已順利完成在太空的艙外巡檢、機(jī)械臂在軌操控、航天員出艙等工作，隨時(shí)準(zhǔn)備迎接轉(zhuǎn)位對接等后續(xù)任務(wù)的到來。
其中，兩臺腕部相機(jī)分別安裝于機(jī)械臂的“腕關(guān)節(jié)”和“肩關(guān)節(jié)”。如同手持式的智能攝像機(jī)，當(dāng)機(jī)械臂距離物體較近時(shí)，它們需要清晰“看到”物體的彩色影像，同時(shí)還要基于預(yù)設(shè)的視覺標(biāo)記實(shí)時(shí)計(jì)算出與物體之間三維距離和三維角度，進(jìn)而引導(dǎo)機(jī)械臂靠近并最終捕獲目標(biāo)物體。第三臺相機(jī)被稱為“肘部”相機(jī)，位于機(jī)械臂正中心“肘部關(guān)節(jié)”位置，主要用于遠(yuǎn)距離全局成像，實(shí)現(xiàn)整臂工作區(qū)域監(jiān)視。其余兩臺相機(jī)則被固定安裝于核心艙周向?qū)涌诟浇?，被稱為對接相機(jī)，主要是服務(wù)于機(jī)械臂開展實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位及輔助對接任務(wù)。
計(jì)量技術(shù)護(hù)航“問天”
五院514所在問天實(shí)驗(yàn)艙任務(wù)中承擔(dān)了靜電防護(hù)、設(shè)備研制和計(jì)量保障等工作。靜電放電是航天器在軌安全運(yùn)行不能忽視的因素。研制團(tuán)隊(duì)研制了空間環(huán)境靜電放電威脅偵測定位技術(shù)能力及模擬測試驗(yàn)證裝置，對應(yīng)用于此次問天實(shí)驗(yàn)艙任務(wù)的多型宇航電子器件進(jìn)行了驗(yàn)證性測試；同時(shí)，五院還承擔(dān)了問天實(shí)驗(yàn)艙部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、實(shí)驗(yàn)裝置的電磁兼容測試任務(wù)，解決了多項(xiàng)可能引發(fā)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、實(shí)驗(yàn)裝置功能故障的電磁安全問題，保障問天實(shí)驗(yàn)艙在軌穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。
本次任務(wù)中，514所還承擔(dān)了綜合測試數(shù)管對接模擬源測試設(shè)備以及綜合測試地面供配電專用測試電纜兩項(xiàng)研制工作。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成了百余根電纜的三防工藝設(shè)計(jì)、防火工藝設(shè)計(jì)等，確保了產(chǎn)品指標(biāo)可靠、質(zhì)量合格，有效保障了型號測試任務(wù)的順利進(jìn)行。
精巧配件作用大
在問天實(shí)驗(yàn)艙中，許多看似小巧的設(shè)備也發(fā)揮著重要的作用。
其中，510所為問天實(shí)驗(yàn)艙研制了音頻單元、問天載荷適配器和艙外透光照明子系統(tǒng)。音頻單元可以支持多類型、多通道音頻終端的輸入輸出，用于接收整個(gè)空間站的報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對航天員的語音報(bào)警提示，并為航天員在軌通話提供了多種模式。問天載荷適配器是未來開展艙外暴露實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，為中小型標(biāo)準(zhǔn)艙外載荷提供通用化的機(jī)械、供電、信息和熱接口。艙外透光照明子系統(tǒng)由投光燈單元、云臺機(jī)構(gòu)、無源展開機(jī)構(gòu)及控制器組成，通過多自由度云臺的動態(tài)特性提供空間站艙外的動態(tài)照明，將主要用于支持航天員出艙活動和監(jiān)視攝像。
問天實(shí)驗(yàn)艙搭載了許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備，五院518所承擔(dān)了其中低溫存儲裝置設(shè)備平板熱管和隔振彈簧生產(chǎn)的加工任務(wù)。平板熱管是一種具備均溫傳熱功能的結(jié)構(gòu)件，作用主要是充當(dāng)“底座”，保證溫度控制在一定范圍內(nèi)。隔振彈簧是連接零下80攝氏度冰箱和低溫存儲裝置的結(jié)構(gòu)件，用于實(shí)現(xiàn)針對制冷機(jī)的隔振效果，可有效保護(hù)產(chǎn)品。針對加工過程中的難點(diǎn)，五院518所設(shè)計(jì)人員反復(fù)研究、精細(xì)操作，確保了任務(wù)的順利完成。
