長征五號B遙四運(yùn)載火箭成功把“夢天”實驗艙送入太空預(yù)定軌道。該實驗艙在飛行了大約13個小時后，與我國“天宮”空間站的“天和”核心艙對接，形成新的組合體。至此，我國第一座由3個艙段組成的空間站“天宮”基本型建造完畢。我們邀請全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩為您作詳細(xì)解讀。

我國重量最大的單個航天器

“夢天”實驗艙是我國迄今為止重量最大的單個航天器，升空時約為23.3 噸。它也是我國空間站T字構(gòu)型組合體的最后一個部分。該艙段聚焦高價值的在軌科研，是“天宮”空間站得以實現(xiàn)空間科學(xué)實驗工作的關(guān)鍵核心載體。

它由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙四個艙段組成，艙體全長17.88米，直徑4.2米。它在軌組裝完成后，將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(wǎng)管理，共同支持空間站開展更大規(guī)模的空間研究實驗和新技術(shù)試驗，打造空間技術(shù)應(yīng)用研究的“夢工場”。

從總體構(gòu)型來看，“夢天”的“肚子”更圓，采用了獨(dú)特的“套娃”設(shè)計。其工作艙在最前端，通過對接機(jī)構(gòu)與核心艙相連，這是航天員艙內(nèi)工作與鍛煉的地方，裝有艙內(nèi)科學(xué)實驗柜。載荷艙與貨物氣閘艙則是以“雙艙嵌套”的形式與工作艙相連，即在載荷艙的內(nèi)部，隱藏著一個貨物氣閘艙，主打貨物出艙專用通道。

“夢天”實驗艙是我國“天宮”空間站的三個艙中支持載荷能力最強(qiáng)的艙段，可配置13臺科學(xué)實驗柜，主要面向微重力科學(xué)研究，可支持流體物理、材料科學(xué)、超冷原子物理等前沿試驗項目。為了最大化實現(xiàn)艙外試驗支持能力，其艙外配置有37個載荷安裝工位，能為各類科學(xué)實驗載荷提供機(jī)、電、信息方面的能力支持，確保它們在太空環(huán)境下能夠開展各類實驗。特別是載荷艙上配置有兩塊可在軌展開的暴露載荷實驗平臺，可進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的載荷支持能力。

因為任務(wù)分工和定位不同，“夢天”實驗艙與“天和”核心艙、“問天”實驗艙有明顯的不同。因為“夢天”是航天員工作的地方，所以沒有配置再生式生保系統(tǒng)、臥室和衛(wèi)生間以及組合體控制功能和小機(jī)械臂，但有類似健身房的劃船機(jī)等航天員的抗阻鍛煉設(shè)備。

“夢天”實驗艙和“問天”實驗艙在外形上很像，并且在艙段的組成上都有工作艙、氣閘艙和資源艙，特別是它們的工作艙和資源艙的造型幾乎一樣。其工作艙都是位于最內(nèi)側(cè)，通過對接機(jī)構(gòu)與核心艙的節(jié)點艙相連，在艙內(nèi)均安裝了多臺科學(xué)實驗機(jī)柜，但在開展空間科學(xué)實驗方面，“夢天”和“問天”的能力和責(zé)任卻各有側(cè)重。“問天”實驗艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實驗柜；“夢天”實驗艙則主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理以及航天技術(shù)試驗等多學(xué)科方向的實驗柜。

在外形上,“夢天”和“問天”的主要不同是在工作艙與資源艙中間部分的氣閘艙上。“問天”實驗艙上的人員氣閘艙是“外方內(nèi)圓”，即圓柱形氣閘艙外有個方形的外殼（艙外暴露實驗平臺）；而“夢天”實驗艙上相同位置采用了“艙中艙”設(shè)計（氣閘艙+載荷艙），這讓“夢天”實驗艙的體型看起來更加渾圓、流暢。

貨物氣閘艙采用雙門設(shè)計

“夢天”實驗艙最大的特點是有一個貨物氣閘艙。它采用“內(nèi)艙門+外艙門”雙門設(shè)計：通往工作艙的內(nèi)艙門是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備；面向地球一側(cè)的外艙門，則是貨物通往艙外的出艙口。為了保障航天員的在軌安全和確保艙內(nèi)的氣壓、溫度等環(huán)境，貨物氣閘艙內(nèi)外兩道艙門是不能同時打開的，也不必?fù)?dān)心誤觸，因為外側(cè)艙門只有一切條件具備，接收到地面指令時才會打開。

在完成貨物出艙任務(wù)時，航天員首先會手動開啟內(nèi)艙門，此時外艙門呈關(guān)閉狀態(tài)，工作艙與氣閘艙形成一個密閉的工作環(huán)境，氣閘艙內(nèi)負(fù)責(zé)搬運(yùn)貨物出艙的載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將伸進(jìn)工作艙內(nèi)，航天員不用身穿艙外航天服，在艙內(nèi)就可以完成載荷、貨物的安裝操作；隨后，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)縮回至氣閘艙，航天員關(guān)閉內(nèi)艙門、由地面發(fā)出指令打開外艙門，實現(xiàn)貨物的順利出艙。

“夢天”的貨物氣閘艙可滿足1.15米×1.2米×0.9米規(guī)格的貨物進(jìn)出，這是由于外艙門采用了大開口設(shè)計，為貨物進(jìn)出打造了一條寬闊的通路。另外，這款外艙門還是我國空間站的首個電動弧形方艙門，艙門采用全自動滑移設(shè)計，它通過地面發(fā)送指令控制開關(guān)。

與航天員進(jìn)出艙一樣，貨物進(jìn)出艙也需要經(jīng)過一個泄復(fù)壓過程，即貨物出艙前氣閘艙要泄壓，從而讓氣閘艙內(nèi)外的大氣壓保持一致，以打開艙門；貨物進(jìn)艙后氣閘艙要復(fù)壓。因此對于氣閘艙來說內(nèi)部空間越大，泄復(fù)壓期間空間站內(nèi)損耗的氣體越多。為此，研制團(tuán)隊根據(jù)出艙貨物的大小對貨物氣閘艙的外形尺寸進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計，2.2米的直徑既保障了貨物有充足的空間進(jìn)行安全轉(zhuǎn)運(yùn)，又減少了對空間站內(nèi)的氣體損耗，提高了空間站的氣體利用率。

為了滿足將來更大尺寸、更大重量貨物的進(jìn)出艙需求，“夢天”艙的貨物氣閘艙上還安裝了一款獨(dú)一無二的方形自動艙門，寬度可達(dá)1.2米。艙門可以為貨物的進(jìn)出艙提供一條寬闊的走廊，也是隔離艙內(nèi)與艙外空間環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備。

作為工作艙與資源艙之間的連接艙段，貨物氣閘艙具有連接和承載的作用。因此，為了進(jìn)一步提升整艙剛度、實現(xiàn)有效承載，在氣閘艙外還套了一個更大直徑的艙體——載荷艙，采用了獨(dú)特的“艙中艙”設(shè)計。除此之外，載荷艙還為空間站進(jìn)行艙外科學(xué)實驗提供了強(qiáng)大的平臺支持。

在“夢天”實驗艙的載荷艙外，還配置了兩個展開式暴露平臺和1個固定式暴露平臺。兩個展開式暴露平臺中，1個為對天方向，1個為對地方向，與對地方向的固定式暴露平臺一共可提供24個標(biāo)準(zhǔn)載荷工位。發(fā)射時平臺呈收攏狀態(tài)，當(dāng)“夢天”實驗艙完成對接與轉(zhuǎn)位動作后，兩個平臺展開并鎖定到位，為“夢天”實驗艙提供了24個艙外標(biāo)準(zhǔn)載荷工位，這樣就極大拓展了空間站開展空間科學(xué)實驗的能力。

貨物能自動出艙還能在軌“放衛(wèi)星”

支持更強(qiáng)科學(xué)實驗使命的“夢天”實驗艙采用了一系列的“黑科技”。例如：

以往在艙外開展科學(xué)試驗需要航天員出艙進(jìn)行安裝作業(yè)，但這種方式會受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與大小的限制。“夢天”實驗艙應(yīng)用了別具一格的載荷自動進(jìn)出艙技術(shù)，具有流程簡單、對載荷支持能力強(qiáng)、對載荷自身要求低、可連續(xù)開展進(jìn)出艙任務(wù)等特點，可減少航天員出艙和艙外航天服使用次數(shù)，有效提高空間站進(jìn)行艙外載荷實驗的能力和效率，降低載荷進(jìn)出艙成本。

這主要是因為在“夢天”的氣閘艙內(nèi)配置了一臺載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，它可以穩(wěn)定地執(zhí)行將貨物從艙內(nèi)送出艙外，或?qū)⑴撏庳浳镞\(yùn)至艙內(nèi)的任務(wù)。該載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)送能力能達(dá)到400千克，這與航天員“帶貨出艙”的方式相比，貨物出艙能力得到了進(jìn)一步提升，還可為在軌工作生活的航天員“減負(fù)”，以便航天員把更多的時間精力用于開展艙內(nèi)各項科學(xué)實驗活動。

該載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具有行得穩(wěn)、走得遠(yuǎn)和停得準(zhǔn)的優(yōu)點，并能通過0°至90°的轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)我國空間站獨(dú)特構(gòu)型布局下的載荷進(jìn)出艙功能，使其既能通向工作艙內(nèi)，又可伸出氣閘艙外。因為載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)具備變速啟停控制能力，所以能讓科學(xué)實驗載荷在搭乘過程中不管是直線運(yùn)動還是回轉(zhuǎn)運(yùn)動，都能實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，不會受到急剎車帶來的頓挫感，為載荷、貨物帶來安全舒適的搭乘體驗。

另外，“夢天”專門配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百公斤級微小飛行器或者多個規(guī)格立方星的在軌釋放需求，解決微衛(wèi)星和立方星低成本進(jìn)入太空的問題，從而能進(jìn)一步增強(qiáng)空間站的綜合應(yīng)用效益。

具體來說就是，在軌釋放機(jī)構(gòu)以組件形式收納在艙內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行釋放小衛(wèi)星任務(wù)時，航天員可以按照立方星的規(guī)格進(jìn)行在軌組裝，然后把立方星或微衛(wèi)星填裝到釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”內(nèi)。釋放機(jī)構(gòu)的“包廂”單次最大載客量為36U立方星或百公斤級微衛(wèi)星（1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米）。接著，釋放機(jī)構(gòu)即可搭乘載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將小衛(wèi)星運(yùn)送至艙外。出艙后，機(jī)械臂抓取釋放機(jī)構(gòu)并調(diào)整釋放機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，當(dāng)立方星或微衛(wèi)星運(yùn)動到指定的發(fā)射方向時，釋放機(jī)構(gòu)就會像彈弓一樣把小衛(wèi)星依次以規(guī)定的速度彈射出去，讓衛(wèi)星既穩(wěn)當(dāng)又安全地開始太空旅程，實現(xiàn)在軌“放衛(wèi)星”。

主要面向微重力科學(xué)研究

“夢天”實驗艙主要面向微重力科學(xué)研究，上面裝有超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學(xué)實驗柜、兩相系統(tǒng)實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學(xué)實驗柜、在線維修裝調(diào)實驗柜等7個方面的8個科學(xué)實驗柜（其中高精度時頻實驗柜由2個艙內(nèi)科學(xué)實驗柜和4臺艙外設(shè)備組成一個完整的實驗系統(tǒng)），支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究等。

超冷原子物理實驗柜主要是利用空間微重力環(huán)境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質(zhì)量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)工作物質(zhì)的開放實驗系統(tǒng)，開展前沿基礎(chǔ)物理研究，是世界領(lǐng)先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺。

高精度時頻實驗柜是空間站中最復(fù)雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統(tǒng)通過艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運(yùn)行的精度最高的空間時間頻率系統(tǒng)。

高溫材料科學(xué)實驗柜是可以在空間站微重力環(huán)境下進(jìn)行材料制備、加工、原位檢測、實時觀察和診斷于一體的新型實驗裝置，裝置的最高工作溫度、溫度穩(wěn)定度、樣品數(shù)量、實時觀察成像技術(shù)等均處于國際領(lǐng)先水平。

兩相系統(tǒng)實驗柜主要是支持開展空間蒸發(fā)與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與回路系統(tǒng)、空間流體控制等關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)應(yīng)用研究。

流體物理實驗柜主要是支持開展空間微重力環(huán)境中流體的宏觀、微觀運(yùn)動，擴(kuò)散過程的基本規(guī)律研究，超越了“國際空間站”3個已有的專用流體實驗柜形成的綜合測試手段和能力，將成為國際上技術(shù)最完備、設(shè)備最先進(jìn)的空間流體物理實驗平臺。

燃燒科學(xué)實驗柜是能夠支持在軌開展微重力燃燒基礎(chǔ)科學(xué)研究的一套科學(xué)實驗系統(tǒng)，對于完善燃燒基礎(chǔ)理論、發(fā)展先進(jìn)燃燒技術(shù)有著重要意義。

在線維修裝調(diào)實驗柜主要是支持艙內(nèi)科學(xué)實驗與技術(shù)試驗的精細(xì)機(jī)械操作、結(jié)構(gòu)和電子學(xué)裝配、機(jī)構(gòu)潤滑等操作及試驗驗證，并支持開展空間機(jī)器人和遙科學(xué)技術(shù)試驗。

通過“夢天”實驗艙配置的8個科學(xué)實驗柜，預(yù)期能夠在相關(guān)領(lǐng)域做出具有國際水平的科學(xué)成果，揭示重要的科學(xué)規(guī)律，并同步推進(jìn)應(yīng)用和技術(shù)轉(zhuǎn)移。目前在上述方向已經(jīng)規(guī)劃安排了約40項科學(xué)實驗項目，將根據(jù)實驗規(guī)劃持續(xù)開展在軌實驗。

隨著“夢天”實驗艙成功發(fā)射，航天五院抓總研制的中國空間站將以“天和”核心艙、“問天”實驗艙、“夢天”實驗艙三艙為基本構(gòu)成，形成T字構(gòu)型，開展后續(xù)各項實驗任務(wù)。根據(jù)航天器的構(gòu)型原則，中國空間站未來還可擴(kuò)展十字形、干字形等構(gòu)型。

審核編輯：湯梓紅