太空“帶貨”，在軌放“衛星”！細說“夢天”那些“黑科技”

源自：北京日報   作者：王鴻良

2022年10月31日，長征五號B遙四運載火箭成功把“夢天”實驗艙送入太空預定軌道。該實驗艙在飛行了大約13個小時後，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首席科學傳播專家龐之浩為您作詳細解讀。

“夢天” 實驗艙在軌示意圖

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字構型組合體的最後一個部分。該艙段聚焦高價值的在軌科研，是“天宮”空間站得以實現空間科學實驗工作的關鍵核心載體。

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。它在軌組裝完成後，將與空間站其它兩艙實現控制、能源、資訊、環境等功能的併網管理，共同支援空間站開展更大規模的空間研究實驗和新技術試驗，打造空間技術應用研究的“夢工場”。

從總體構型來看，“夢天”的“肚子”更圓，採用了獨特的“套娃”設計。其工作艙在最前端，透過對接機構與核心艙相連，這是航天員艙內工作與鍛鍊的地方，裝有艙內科學實驗櫃。載荷艙與貨物氣閘艙則是以“雙艙巢狀”的形式與工作艙相連，即在載荷艙的內部，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援載荷能力最強的艙段，可配置13臺科學實驗櫃，主要面向微重力科學研究，可支援流體物理、材料科學、超冷原子物理等前沿試驗專案。為了最大化實現艙外試驗支援能力，其艙外配置有37個載荷安裝工位，能為各類科學實驗載荷提供機、電、資訊方面的能力支援，確保它們在太空環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，可進一步增強空間站的載荷支援能力。

因為任務分工和定位不同，“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、臥室和衛生間以及組合體控制功能和小機械臂，但有類似健身房的划船機等航天員的抗阻鍛鍊裝置。

“夢天”實驗艙和“問天”實驗艙在外形上很像，並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。其工作艙都是位於最內側，透過對接機構與核心艙的節點艙相連，在艙內均安裝了多臺科學實驗機櫃，但在開展空間科學實驗方面，“夢天”和“問天”的能力和責任卻各有側重。“問天”實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗櫃；“夢天”實驗艙則主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理以及航天技術試驗等多學科方向的實驗櫃。

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”實驗艙上相同位置採用了“艙中艙”設計（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。

測試“夢天”實驗艙

貨物氣閘艙採用雙門設計

“夢天”實驗艙最大的特點是有一個貨物氣閘艙。它採用“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境的關鍵裝置；面向地球一側的外艙門，則是貨物通往艙外的出艙口。為了保障航天員的在軌安全和確保艙內的氣壓、溫度等環境，貨物氣閘艙內外兩道艙門是不能同時開啟的，也不必擔心誤觸，因為外側艙門只有一切條件具備，接收到地面指令時才會開啟。

在完成貨物出艙任務時，航天員首先會手動開啟內艙門，此時外艙門呈關閉狀態，工作艙與氣閘艙形成一個密閉的工作環境，氣閘艙內負責搬運貨物出艙的載荷轉移機構將伸進工作艙內，航天員不用身穿艙外航天服，在艙內就可以完成載荷、貨物的安裝操作；隨後，轉移機構縮回至氣閘艙，航天員關閉內艙門、由地面發出指令開啟外艙門，實現貨物的順利出艙。

“夢天”的貨物氣閘艙可滿足1.15米×1.2米×0.9米規格的貨物進出，這是由於外艙門採用了大開口設計，為貨物進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，艙門採用全自動滑移設計，它透過地面傳送指令控制開關。

與航天員進出艙一樣，貨物進出艙也需要經過一個洩復壓過程，即貨物出艙前氣閘艙要洩壓，從而讓氣閘艙內外的大氣壓保持一致，以開啟艙門；貨物進艙後氣閘艙要復壓。因此對於氣閘艙來說內部空間越大，洩復壓期間空間站內損耗的氣體越多。為此，研製團隊根據出艙貨物的大小對貨物氣閘艙的外形尺寸進行了最優設計，2.2米的直徑既保障了貨物有充足的空間進行安全轉運，又減少了對空間站內的氣體損耗，提高了空間站的氣體利用率。

為了滿足將來更大尺寸、更大重量貨物的進出艙需求，“夢天”艙的貨物氣閘艙上還安裝了一款獨一無二的方形自動艙門，寬度可達1.2米。艙門可以為貨物的進出艙提供一條寬闊的走廊，也是隔離艙內與艙外空間環境的關鍵裝置。

作為工作艙與資源艙之間的連線艙段，貨物氣閘艙具有連線和承載的作用。因此，為了進一步提升整艙剛度、實現有效承載，在氣閘艙外還套了一個更大直徑的艙體——載荷艙，採用了獨特的“艙中艙”設計。除此之外，載荷艙還為空間站進行艙外科學實驗提供了強大的平臺支援。

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個標準載荷工位。發射時平臺呈收攏狀態，當“夢天”實驗艙完成對接與轉位動作後，兩個平臺展開並鎖定到位，為“夢天”實驗艙提供了24個艙外標準載荷工位，這樣就極大擴充了空間站開展空間科學實驗的能力。

“夢天”實驗艙的載荷艙上的3塊暴露實驗平臺

貨物能自動出艙還能在軌“放衛星”

支援更強科學實驗使命的“夢天”實驗艙採用了一系列的“黑科技”。例如：

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

這主要是因為在“夢天”的氣閘艙內配置了一臺載荷轉移機構，它可以穩定地執行將貨物從艙內送出艙外，或將艙外貨物運至艙內的任務。該載荷轉移機構的運送能力能達到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一步提升，還可為在軌工作生活的航天員“減負”，以便航天員把更多的時間精力用於開展艙內各項科學實驗活動。

該載荷轉移機構具有行得穩、走得遠和停得準的優點，並能透過0°至90°的轉向實現我國空間站獨特構型佈局下的載荷進出艙功能，使其既能通向工作艙內，又可伸出氣閘艙外。因為載荷轉移機構具備變速啟停控制能力，所以能讓科學實驗載荷在搭乘過程中不管是直線運動還是迴轉運動，都能實現平穩過渡，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構，它在載荷轉移機構與機械臂的配合下，能夠滿足百公斤級微小飛行器或者多個規格立方星的在軌釋放需求，解決微衛星和立方星低成本進入太空的問題，從而能進一步增強空間站的綜合應用效益。

具體來說就是，在軌釋放機構以元件形式收納在艙內，當需要執行釋放小衛星任務時，航天員可以按照立方星的規格進行在軌組裝，然後把立方星或微衛星填裝到釋放機構的“包廂”內。釋放機構的“包廂”單次最大載客量為36U立方星或百公斤級微衛星（1U的體積是10釐米×10釐米×10釐米）。接著，釋放機構即可搭乘載荷轉移機構將小衛星運送至艙外。出艙後，機械臂抓取釋放機構並調整釋放機構的姿態，當立方星或微衛星運動到指定的發射方向時，釋放機構就會像彈弓一樣把小衛星依次以規定的速度彈射出去，讓衛星既穩當又安全地開始太空旅程，實現在軌“放衛星”。

主要面向微重力科學研究

“夢天”實驗艙主要面向微重力科學研究，上面裝有超冷原子物理實驗櫃、高精度時頻實驗櫃、高溫材料科學實驗櫃、兩相系統實驗櫃、流體物理實驗櫃、燃燒科學實驗櫃、線上維修裝調實驗櫃等7個方面的8個科學實驗櫃（其中高精度時頻實驗櫃由2個艙內科學實驗櫃和4臺艙外裝置組成一個完整的實驗系統），支援開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究等。

超冷原子物理實驗櫃主要是利用空間微重力環境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態工作物質的開放實驗系統，開展前沿基礎物理研究，是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺。

高精度時頻實驗櫃是空間站中最複雜的實驗櫃。高精度時頻實驗系統透過艙內不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌執行的精度最高的空間時間頻率系統。

高溫材料科學實驗櫃是可以在空間站微重力環境下進行材料製備、加工、原位檢測、實時觀察和診斷於一體的新型實驗裝置，裝置的最高工作溫度、溫度穩定度、樣品數量、實時觀察成像技術等均處於國際領先水平。

兩相系統實驗櫃主要是支援開展空間蒸發與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與迴路系統、空間流體控制等關鍵科學問題與技術應用研究。

流體物理實驗櫃主要是支援開展空間微重力環境中流體的宏觀、微觀運動，擴散過程的基本規律研究，超越了“國際空間站”3個已有的專用流體實驗櫃形成的綜合測試手段和能力，將成為國際上技術最完備、裝置最先進的空間流體物理實驗平臺。

燃燒科學實驗櫃是能夠支援在軌開展微重力燃燒基礎科學研究的一套科學實驗系統，對於完善燃燒基礎理論、發展先進燃燒技術有著重要意義。

線上維修裝調實驗櫃主要是支援艙內科學實驗與技術試驗的精細機械操作、結構和電子學裝配、機構潤滑等操作及試驗驗證，並支援開展空間機器人和遙科學技術試驗。

透過“夢天”實驗艙配置的8個科學實驗櫃，預期能夠在相關領域做出具有國際水平的科學成果，揭示重要的科學規律，並同步推進應用和技術轉移。目前在上述方向已經規劃安排了約40項科學實驗專案，將根據實驗規劃持續開展在軌實驗。

隨著“夢天”實驗艙成功發射，航天五院抓總研製的中國空間站將以“天和”核心艙、“問天”實驗艙、“夢天”實驗艙三艙為基本構成，形成T字構型，開展後續各項實驗任務。根據航天器的構型原則，中國空間站未來還可擴充套件十字形、幹字形等構型。

“夢天”實驗艙帶有科學研究方向的8臺實驗櫃