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深度学习|太空"带货",在轨放"卫星"!细说"梦天"那些"黑科技"
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炼丹房 文章新手上路 369 7
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太空“带货”,在轨放“卫星”!细说“梦天”那些“黑科技”
源自:北京日报   作者:王鸿良

2022年10月31日,长征五号B遥四运载火箭成功把“梦天”实验舱送入太空预定轨道。该实验舱在飞行了大约13个小时后,与我国“天宫”空间站的“天和”核心舱对接,形成新的组合体。至此,我国第一座由3个舱段组成的空间站“天宫”基本型建造完毕。我们邀请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩为您作详细解读。

“梦天” 实验舱在轨示意图

我国重量最大的单个航天器

“梦天”实验舱是我国迄今为止重量最大的单个航天器,升空时约为23.3 吨。它也是我国空间站T字构型组合体的最后一个部分。该舱段聚焦高价值的在轨科研,是“天宫”空间站得以实现空间科学实验工作的关键核心载体。

它由工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱四个舱段组成,舱体全长17.88米,直径4.2米。它在轨组装完成后,将与空间站其它两舱实现控制、能源、信息、环境等功能的并网管理,共同支持空间站开展更大规模的空间研究实验和新技术试验,打造空间技术应用研究的“梦工场”。

从总体构型来看,“梦天”的“肚子”更圆,采用了独特的“套娃”设计。其工作舱在最前端,通过对接机构与核心舱相连,这是航天员舱内工作与锻炼的地方,装有舱内科学实验柜。载荷舱与货物气闸舱则是以“双舱嵌套”的形式与工作舱相连,即在载荷舱的内部,隐藏着一个货物气闸舱,主打货物出舱专用通道。

“梦天”实验舱是我国“天宫”空间站的三个舱中支持载荷能力最强的舱段,可配置13台科学实验柜,主要面向微重力科学研究,可支持流体物理、材料科学、超冷原子物理等前沿试验项目。为了最大化实现舱外试验支持能力,其舱外配置有37个载荷安装工位,能为各类科学实验载荷提供机、电、信息方面的能力支持,确保它们在太空环境下能够开展各类实验。特别是载荷舱上配置有两块可在轨展开的暴露载荷实验平台,可进一步增强空间站的载荷支持能力。

因为任务分工和定位不同,“梦天”实验舱与“天和”核心舱、“问天”实验舱有明显的不同。因为“梦天”是航天员工作的地方,所以没有配置再生式生保系统、卧室和卫生间以及组合体控制功能和小机械臂,但有类似健身房的划船机等航天员的抗阻锻炼设备。

“梦天”实验舱和“问天”实验舱在外形上很像,并且在舱段的组成上都有工作舱、气闸舱和资源舱,特别是它们的工作舱和资源舱的造型几乎一样。其工作舱都是位于最内侧,通过对接机构与核心舱的节点舱相连,在舱内均安装了多台科学实验机柜,但在开展空间科学实验方面,“梦天”和“问天”的能力和责任却各有侧重。“问天”实验舱主要面向空间生命科学研究,配置了生命生态、生物技术和变重力科学等实验柜;“梦天”实验舱则主要面向微重力科学研究,配置了流体物理、材料科学、燃烧科学、基础物理以及航天技术试验等多学科方向的实验柜。

在外形上,“梦天”和“问天”的主要不同是在工作舱与资源舱中间部分的气闸舱上。“问天”实验舱上的人员气闸舱是“外方内圆”,即圆柱形气闸舱外有个方形的外壳(舱外暴露实验平台);而“梦天”实验舱上相同位置采用了“舱中舱”设计(气闸舱+载荷舱),这让“梦天”实验舱的体型看起来更加浑圆、流畅。

 

测试“梦天”实验舱

货物气闸舱采用双门设计

“梦天”实验舱最大的特点是有一个货物气闸舱。它采用“内舱门+外舱门”双门设计:通往工作舱的内舱门是隔离舱内与舱外空间环境的关键设备;面向地球一侧的外舱门,则是货物通往舱外的出舱口。为了保障航天员的在轨安全和确保舱内的气压、温度等环境,货物气闸舱内外两道舱门是不能同时打开的,也不必担心误触,因为外侧舱门只有一切条件具备,接收到地面指令时才会打开。

在完成货物出舱任务时,航天员首先会手动开启内舱门,此时外舱门呈关闭状态,工作舱与气闸舱形成一个密闭的工作环境,气闸舱内负责搬运货物出舱的载荷转移机构将伸进工作舱内,航天员不用身穿舱外航天服,在舱内就可以完成载荷、货物的安装操作;随后,转移机构缩回至气闸舱,航天员关闭内舱门、由地面发出指令打开外舱门,实现货物的顺利出舱。

“梦天”的货物气闸舱可满足1.15米×1.2米×0.9米规格的货物进出,这是由于外舱门采用了大开口设计,为货物进出打造了一条宽阔的通路。另外,这款外舱门还是我国空间站的首个电动弧形方舱门,舱门采用全自动滑移设计,它通过地面发送指令控制开关。

与航天员进出舱一样,货物进出舱也需要经过一个泄复压过程,即货物出舱前气闸舱要泄压,从而让气闸舱内外的大气压保持一致,以打开舱门;货物进舱后气闸舱要复压。因此对于气闸舱来说内部空间越大,泄复压期间空间站内损耗的气体越多。为此,研制团队根据出舱货物的大小对货物气闸舱的外形尺寸进行了最优设计,2.2米的直径既保障了货物有充足的空间进行安全转运,又减少了对空间站内的气体损耗,提高了空间站的气体利用率。

为了满足将来更大尺寸、更大重量货物的进出舱需求,“梦天”舱的货物气闸舱上还安装了一款独一无二的方形自动舱门,宽度可达1.2米。舱门可以为货物的进出舱提供一条宽阔的走廊,也是隔离舱内与舱外空间环境的关键设备。

作为工作舱与资源舱之间的连接舱段,货物气闸舱具有连接和承载的作用。因此,为了进一步提升整舱刚度、实现有效承载,在气闸舱外还套了一个更大直径的舱体——载荷舱,采用了独特的“舱中舱”设计。除此之外,载荷舱还为空间站进行舱外科学实验提供了强大的平台支持。

在“梦天”实验舱的载荷舱外,还配置了两个展开式暴露平台和1个固定式暴露平台。两个展开式暴露平台中,1个为对天方向,1个为对地方向,与对地方向的固定式暴露平台一共可提供24个标准载荷工位。发射时平台呈收拢状态,当“梦天”实验舱完成对接与转位动作后,两个平台展开并锁定到位,为“梦天”实验舱提供了24个舱外标准载荷工位,这样就极大拓展了空间站开展空间科学实验的能力。

“梦天”实验舱的载荷舱上的3块暴露实验平台

货物能自动出舱还能在轨“放卫星”

支持更强科学实验使命的“梦天”实验舱采用了一系列的“黑科技”。例如:

以往在舱外开展科学试验需要航天员出舱进行安装作业,但这种方式会受到航天员出舱次数、载荷数量与大小的限制。“梦天”实验舱应用了别具一格的载荷自动进出舱技术,具有流程简单、对载荷支持能力强、对载荷自身要求低、可连续开展进出舱任务等特点,可减少航天员出舱和舱外航天服使用次数,有效提高空间站进行舱外载荷实验的能力和效率,降低载荷进出舱成本。

这主要是因为在“梦天”的气闸舱内配置了一台载荷转移机构,它可以稳定地执行将货物从舱内送出舱外,或将舱外货物运至舱内的任务。该载荷转移机构的运送能力能达到400千克,这与航天员“带货出舱”的方式相比,货物出舱能力得到了进一步提升,还可为在轨工作生活的航天员“减负”,以便航天员把更多的时间精力用于开展舱内各项科学实验活动。

该载荷转移机构具有行得稳、走得远和停得准的优点,并能通过0°至90°的转向实现我国空间站独特构型布局下的载荷进出舱功能,使其既能通向工作舱内,又可伸出气闸舱外。因为载荷转移机构具备变速启停控制能力,所以能让科学实验载荷在搭乘过程中不管是直线运动还是回转运动,都能实现平稳过渡,不会受到急刹车带来的顿挫感,为载荷、货物带来安全舒适的搭乘体验。

另外,“梦天”专门配置了微小飞行器在轨释放机构,它在载荷转移机构与机械臂的配合下,能够满足百公斤级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求,解决微卫星和立方星低成本进入太空的问题,从而能进一步增强空间站的综合应用效益。

具体来说就是,在轨释放机构以组件形式收纳在舱内,当需要执行释放小卫星任务时,航天员可以按照立方星的规格进行在轨组装,然后把立方星或微卫星填装到释放机构的“包厢”内。释放机构的“包厢”单次最大载客量为36U立方星或百公斤级微卫星(1U的体积是10厘米×10厘米×10厘米)。接着,释放机构即可搭乘载荷转移机构将小卫星运送至舱外。出舱后,机械臂抓取释放机构并调整释放机构的姿态,当立方星或微卫星运动到指定的发射方向时,释放机构就会像弹弓一样把小卫星依次以规定的速度弹射出去,让卫星既稳当又安全地开始太空旅程,实现在轨“放卫星”。

主要面向微重力科学研究

“梦天”实验舱主要面向微重力科学研究,上面装有超冷原子物理实验柜、高精度时频实验柜、高温材料科学实验柜、两相系统实验柜、流体物理实验柜、燃烧科学实验柜、在线维修装调实验柜等7个方面的8个科学实验柜(其中高精度时频实验柜由2个舱内科学实验柜和4台舱外设备组成一个完整的实验系统),支持开展重力掩盖下的多相流与相变传热、基础燃烧过程、材料凝固机理等物质本质规律研究以及超冷原子物理等前沿实验研究等。

超冷原子物理实验柜主要是利用空间微重力环境条件,建立具有超低温、大尺度、高质量、适合精密测量的玻色-爱因斯坦凝聚态工作物质的开放实验系统,开展前沿基础物理研究,是世界领先的中国首个微重力超冷原子物理实验平台。

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。

高温材料科学实验柜是可以在空间站微重力环境下进行材料制备、加工、原位检测、实时观察和诊断于一体的新型实验装置,装置的最高工作温度、温度稳定度、样品数量、实时观察成像技术等均处于国际领先水平。

两相系统实验柜主要是支持开展空间蒸发与冷凝相变、沸腾传热、两相流动与回路系统、空间流体控制等关键科学问题与技术应用研究。

流体物理实验柜主要是支持开展空间微重力环境中流体的宏观、微观运动,扩散过程的基本规律研究,超越了“国际空间站”3个已有的专用流体实验柜形成的综合测试手段和能力,将成为国际上技术最完备、设备最先进的空间流体物理实验平台。

燃烧科学实验柜是能够支持在轨开展微重力燃烧基础科学研究的一套科学实验系统,对于完善燃烧基础理论、发展先进燃烧技术有着重要意义。

在线维修装调实验柜主要是支持舱内科学实验与技术试验的精细机械操作、结构和电子学装配、机构润滑等操作及试验验证,并支持开展空间机器人和遥科学技术试验。

通过“梦天”实验舱配置的8个科学实验柜,预期能够在相关领域做出具有国际水平的科学成果,揭示重要的科学规律,并同步推进应用和技术转移。目前在上述方向已经规划安排了约40项科学实验项目,将根据实验规划持续开展在轨实验。

随着“梦天”实验舱成功发射,航天五院抓总研制的中国空间站将以“天和”核心舱、“问天”实验舱、“梦天”实验舱三舱为基本构成,形成T字构型,开展后续各项实验任务。根据航天器的构型原则,中国空间站未来还可扩展十字形、干字形等构型。

“梦天”实验舱带有科学研究方向的8台实验柜

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全部评论(7)
时间顺序
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3382665wgss
#2 回复于2022-11

人工智能技术与咨询

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3382665wgss
#3 回复于2022-11

可敲一九五lll

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3382665wgss
#4 回复于2022-11

二二一五二

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小小小疯叔叔
#5 回复于2022-11

这广子打的

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李长安
#6 回复于2022-11

厉害了

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UnseenMe
#7 回复于2022-11

这个。。。

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李长安
#8 回复于2022-11

优秀

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