7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭准时点火发射。新华社发
“问天”出征有何惊喜？
据新华社电作为我国空间站建设的第二个舱段，问天实验舱将为空间站带去哪些新装备？航天员在太空的工作生活会迎来怎样的变化？
(资料图)
功能强、装备全：中国空间站喜迎“新居”
“问天实验舱由工作舱、气闸舱和资源舱三部分组成，舱体总长17.9米，直径4.2米，发射重量约23吨。相关指标比天和核心舱更高，是我国目前最重、尺寸最大的单体飞行器。”航天科技集团五院空间站系统副总设计师刘刚说。
不仅有着大块头的体格，问天实验舱更是一个集平台功能与载荷功能于一体的“全能型”选手。
据介绍，问天实验舱与天和核心舱互为备份，关键平台功能一致，可以完全覆盖空间站组合体工作要求，既发挥定海神针般的双保险作用，也为空间站未来15年可靠运行打下坚实基础。
“两舱对接组成组合体后，由天和核心舱统一管理和控制整个空间站的载人环境，一旦天和核心舱出现严重故障，问天实验舱能够快速接管，主控空间站。”航天员中心问天实验舱环控生保分系统主任设计师罗亚斌说。
一个更重要的细节是，问天实验舱配备了目前国内最大的柔性太阳翼，双翼全部展开后可达55米。太阳翼可以双自由度跟踪太阳，每天平均发电量超过430度，将为空间站运行提供充足的能源。
问天实验舱是空间站系统中舱外活动部件最多的舱体，大量的舱外设施设备能够更好地保障出舱活动，也为更精细的舱外操作提供支持。
在问天实验舱的气闸舱外，还有一套5米长的小机械臂。这套7自由度的机械臂小巧、精度高，操作更为精细。未来，小臂还可以与核心舱大臂组成15米长的组合臂，在空间站三舱组合体开展更多舱外操作。
时间紧、难度高：“胖五”进行“增肌瘦身”
作为我国空间站建造工程的“运载专列”，被人们昵称为“胖五”的长征五号系列运载火箭此前已成功将天和核心舱送入太空，此次则是首次执行交会对接任务。
此次长五B不仅要发射我国迄今为止最重的载荷，还面临着低温推进剂加注问题和复杂的射前流程，难度可想而知。
点火阶段，型号队伍对射前10分钟的发射流程进行了优化，将部分流程前置。在距离发射数分钟时，火箭就已完成发射前各项准备工作，具备了点火发射能力，为突发情况留出决策、处置的时间。
长五B还应用了起飞时间修正技术，让火箭的控制系统可以自动计算偏差、调整目标轨道，最大修正时间为2.5分钟。
“即使火箭没能完全按照预定窗口发射，只要在2.5分钟这个窗口时间里，都能通过后期的轨道修正精准完成入轨和交会对接。”航天科技集团一院长征五号B运载火箭副总师娄路亮说。
为不断提高火箭可靠性，安全、精准地将问天实验舱送到目的地，型号队伍还对长五B进行了有针对性的“增肌瘦身”，在生产工艺等方面进行了30多项改进。
随着发射次数增多，科研人员对火箭技术状态的认识也不断深入。此前，长五B在发射场的发射准备时间约为60天。本次任务进一步优化到了53天，为后续提高火箭发射效率、应对高密度常态化发射奠定了基础。
大吨位、半自主：“太空之吻”有新看点
问天实验舱入轨后，将与核心舱组合体实施交会对接——23吨的问天实验舱与40多吨的核心舱组合体，将是我国目前最大吨位的两个航天器之间的交会对接，也是中国空间站首次在有人的状态下迎接航天器的来访。
重量重、尺寸大、对接靶子小、柔性太阳翼难控制……对所面临的一系列棘手难题，航天科技集团五院问天实验舱GNC分系统副主任设计师宋晓光打了个形象的比方：“如果按重量来看，载人飞船对接像开小跑车，可控性强；货运飞船对接像开小卡车；而到了问天和梦天实验舱，就如同要把一辆装备豪华的大房车停到一个小车位里。”
为成功实现“太空之吻”，设计团队从问天实验舱初样研制起就经过几轮实测，对问天实验舱的数据参数精准把握，并提升算法达到更强的适应能力和纠偏能力。同时，采用半自主交会对接方案，实现交会对接过程中的稳定控制。
在轨期间，问天实验舱还将实现平面转位90度，让原本对接在节点舱前向对接口的问天实验舱，转向节点舱的侧向停泊口，并再次对接，从而腾出核心舱的前向对接口，为梦天实验舱的到访做好充分准备。这将是我国首次航天器在轨转位组装，也将是国际上首次探索以平面式转位方案进行航天器转位。
更舒适、更安全：太空家园扩成“两居室”
对在轨航天员来说，两舱对接形成组合体，意味着我们的太空家园从“一居室”升级到更宽敞的“两居室”。
问天实验舱的工作舱内设有3个睡眠区和1个卫生区。完成对接后，空间站后续可以支撑神舟十四号、十五号两个乘组6名航天员实现“太空会师”和在轨轮换，在太空面对面交接工作。
航天员中心舱外服总体试验主任设计师李金林说，在天和核心舱的基础上，问天实验舱在吸音、降噪、减震等方面也进行了优化升级。
此前，航天员在天和核心舱只能通过节点舱实现出舱。节点舱作为空间站的交通枢纽，空间较小，航天员每次出舱前还需要关闭各个对接通道的舱门，进行大量准备工作。
此次问天实验舱则配置了一个出舱人员专用的气闸舱。一方面，气闸舱的空间和出舱舱门的尺寸都比节点舱更大，航天员进出更舒展从容，也更易携带大体积的设备出舱工作。另一方面，从气闸舱出舱时，只需关闭一道舱门，操作更便捷。
未来，气闸舱将成为航天员在空间站的主要出舱通道，一旦气闸舱出现问题，航天员还可以从作为备份出舱口的节点舱返回，确保出舱活动的安全。
在气闸舱外的暴露实验平台上，还配置了22个标准载荷接口。“在空间站搭载的科学实验载荷，可以通过机械臂精准‘投送’到自己对应的载荷接口位置，不再需要航天员出舱进行人工操作，既降低了航天员的工作强度和风险，又可以灵活高效支持舱外载荷试验。”航天科技集团五院问天实验舱空间技术试验分系统主任设计师赵振昊说。
图为建成后的中国空间站模拟图 @视觉中国
“问天”入轨要过几关？
本次交会对接需要13个小时
飞船发射入轨之后，问天实验舱大约需要13个小时来完成交会对接。问天实验舱要与空间站核心舱进行交会对接，就必须得在同一时间，到达同一轨道上的相同位置。
问天实验舱与火箭分离后，将进行6次变轨，来到与天和核心舱相距52公里的位置上。堪称“太空穿针”。此次问天试验舱继续采用了快速交会对接技术，此前神舟飞船也采用了这项技术，不过，当时神舟只需要六七个小时就能够与核心舱完成对接，而此次实验舱交会对接采用的半自助远导交会对接模式，全程预计需要13个小时左右。7月24日晚上7时40分左右，实验舱行第一次变轨。
航天科技集团五院、502所交会对接首席专家解永春解释说，“它是第一个实验舱入轨，比如说一些机械臂、转位机构，它入轨之后都要进行测试，所以它入轨的时候到对接的时间会比原来的载人船和货运船时间要长一些。”在问天实验舱与天和核心舱交会之前，让实验舱为了尽快追上核心舱，能达到几公里每秒，而在两舱对接之前，它们之间的相对速度非常快，它们之间的相对速度将会降到每秒0.1米。解永春说，这种“万里穿针”精度是非常高的，达到厘米级的。
航天科技集团五院空间站问天实验舱责任总指挥潘平介绍说，因为这是目前体积最大、重量最大的一个飞行器，并且，它要主动去追赶天和核心舱，所以用时要长一些。交会对接完成以后，就建立一个载人环境，航天员就可以住进新家了。
问天入轨后将在太空上演“功夫秀”
2022年7月24日，长五B火箭将问天实验舱送入预定轨道。航天科技集团八院控制所载人航天型号技术负责人王有波介绍，问天实验舱入轨后，会经历交会对接、实验舱对接转位等大动作，并会伴随柔性太阳翼二次展开、双自由度控制驱动，组合体多次姿态调整等，“广袤太空即将上演一场问天‘功夫秀’，多型控制驱动器将发挥关键作用。”
问天第一式：神龙摆尾
王有波表示，问天实验舱入轨后首先对接于核心舱前向对接口，形成“一”字构型，然后组合体以一招“神龙摆尾”转体约180度，问天实验舱“白鹤亮翅”二次展开太阳翼，进入全功率状态。随后，组合体继续调整姿态让自己“站起来”，从平行于地球方向，变为基本垂直于地球的方向，同时进行径向角度微调，以最小受风面运行，以实现最佳的重力梯度稳定和最小的气动扰动。
整个过程中，推进分系统控制驱动器会化身“阀门总管”，按照指令控制各轨控阀、姿控阀和电磁阀的开关，精确调节姿控发动机的推力，确保组合体能够平稳完成轨道变化、姿态调整等任务。
问天第二式：四两拨千斤
问天实验舱是中国空间站的重要组成部分，同时也是保证空间站正常运行最重要的能源供应者，其太阳翼单翼展开长度达27米，阵面迎风面积达111平方米。为了实现太阳翼最大的受照面积和最高的发电效能，问天实验舱柔性太阳翼于国内首次实现大型太阳翼双自由度控制驱动，也就是说太阳翼不仅能单翼翻转，两翼还可以像直升机的螺旋桨一样360转起来。
控制所承担着空间站太阳翼对日定向装置驱动控制器的研制工作，由于太阳翼大如鲲鹏展翅，薄若夏蝉之翼，具有大挠性、大惯量等特性，任何“风吹草动”都会让太阳翼产生很大的抖动，甚至造成损坏，使其按照预定轨迹运动的同时保证运行平稳性是关键。
据航天科技集团八院控制所载人航天产品主管设计师付培华介绍，为实现高精度稳定控制，团队根据太阳翼大力矩、高频响的负载动力学特性及干扰特点，设计了带运动规划和振动抑制的多级滤波器三闭环控制方案，并制定了多种故障处理预案，经过大量的地面仿真和半物理试验，确保了太阳翼控制方案的可靠性。10公斤左右的控制驱动器，可精准、稳定地驱动起重达1200公斤的太阳翼，实实在在做到了“四两拨千斤”。
问天第三式：乾坤大挪移
几个月后，梦天实验舱将如期发射入轨，在这之前，问天实验舱届时会先转位至侧向停泊口，将前向对接口预留出来。问天实验舱自带转位机械臂，靠分布在核心舱上的被动对接与转位控制器与问天实验舱上的对接与转位控制器驱动转臂带动实验舱进行“乾坤大挪移”。
这一过程涉及转臂与核心舱基座的连接、实验舱与核心舱前向对接口的解锁与分离、实验舱转位、实验舱与核心舱侧向停泊口的对接与锁紧以及转臂与核心舱分离等一系列动作。单机之间要精密配合，分毫不差，同时，整个转位过程中，控制驱动器通过PWM电机控制技术保证实验舱全程匀加速运动，实现平稳转位。空间站组合体将形成“L”构型，等待梦天实验舱的到来，再次经历一番“移形换影”般的操作后，最终形成“T”构型遨游太空。
文/广州日报·新花城记者：肖欢欢（署名除外）
“问天”创下多个纪录
是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。
是我国现阶段最大的空间站单体舱段，也是迄今为止发射的最重载荷。
配置了目前国内研制的最大面积可展收柔性太阳翼。
问天实验舱的工作舱是迄今我国最大、世界第二大单密封舱体。
数说“问天”
舱体总长17.9米，直径4.2米，发射重量23吨。
包括工作舱、气闸舱及资源舱三部分。
主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间科学实验，同时可作为天和核心舱的备份。
太阳翼
初次展开：6.5米
二次展开：23米
整体翼展： 55米
每个太阳帆板展开面积约110平方米，两个太阳帆板一起工作，每天平均发电量超过430度。
空间站在轨建造完成后，天和核心舱的一个太阳帆板将转移到问天实验舱资源舱的尾部，问天实验舱将成为名副其实的“主发电站”。
科学实验机柜：4个
乘组睡眠区：3个
为空间生命科学、生物技术学科以及其他一些学科的科学实验提供支持设施。
满足支持后续乘组在轨轮换期间6人共同在轨的需要。
出舱气闸
大门：直径达1米
未来航天员的主用出舱口。气闸舱外方内圆，是空间站系统唯一一个看上去是方形的舱体。气闸舱外的暴露平台，还配置了22个舱外载荷适配器。
小机械臂
活动半径：5米
主要担负了精度要求更高的操作。小臂还可以与核心舱大臂级联成15米长的组合臂，开展更多的舱外操作。
注：以上图片来自中国航天科技集团有限公司官方网站
“太空家园”
今年实现
中国空间站叫“天宫”，核心舱叫“天和”，货运飞船叫“天舟”，实验舱叫“问天”“梦天”……中国航天人追梦奋斗建造“太空家园”，让神话传说一步步走进现实。
2021年4月29日11时23分，天和核心舱一飞冲天，中国空间站在轨组装建造全面开展；
2021年5月29日20时55分，天舟二号货运飞船升空，首次采用快速交会对接方式与天和核心舱对接，完成舱外航天服、航天员消耗品运输；
2021年6月17日9时22分，神舟十二号载人飞船发射，空间站建造阶段第1次载人飞行任务；
2021年9月20日15时10分，天舟三号货运飞船点火飞天，空间站关键技术验证阶段发射的第二艘货运飞船；
2021年10月16日0时23分，神舟十三号载人飞船发射升空，空间站建造阶段第2次载人飞行任务；
2022年5月10日01时56分，天舟四号货运飞船带“货”上天，是空间站建设从关键技术验证阶段转入在轨建造阶段的首次发射任务；
2022年6月5日10时44分，神舟十四号载人飞船出征，空间站在轨建造阶段的首次载人发射任务；
2022年7月24日14时22分，问天实验舱发射“问天”，后续将与核心舱组合体交会对接。这是中国空间站第二个舱段，也是首个科学实验舱。
今年建成国家太空实验室
按照载人航天工程规划，以2022年4月16日神舟十三号载人飞船成功返回为标志，中国空间站已圆满完成关键技术验证阶段任务，转入全面建造阶段，并将于2022年下半年全面建成。
神舟十四号飞行任务是空间站建造阶段第二次飞行任务，也是该阶段首次载人飞行任务，航天员乘组将在轨工作生活6个月。
在轨驻留期间，神舟十四号飞行乘组3名航天员将迎来空间站两个实验舱以及天舟五号货运飞船、神舟十五号载人飞船的来访对接，并与神舟十五号飞行乘组进行在轨轮换，于12月返回地球。他们肩负着完成中国空间站在轨组装建造的重要使命。
“神舟十四号飞行任务期间将全面完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的天宫空间站建造，建成国家太空实验室。其中，问天实验舱主要面向空间生命科学研究，梦天实验舱主要面向微重力科学研究。”中国载人航天工程新闻发言人、中国载人航天工程办公室副主任林西强说。
广州日报·新花城编辑：陈婷婷
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