“ ，一，L，T……”

從“空白”到“一”字構(gòu)型，又到L字構(gòu)型，再到即將形成的T字構(gòu)型，這幾個簡單的符號，是載人航天工程30年的心血。從“921工程”立項到今天夢天艙成功發(fā)射，中國載人航天工程終于要寫到第三個故事的終章了。

長征五號B火箭托舉夢天艙升空。宿東 攝

“夢天”，是最后出現(xiàn)的主角之一。

“螺螄殼里做道場”

夢天實驗艙由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個艙段組成，艙體全長17.88米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量約23噸，配備的大型柔性太陽電池翼發(fā)電功率可達(dá)13.5千瓦，展開面積達(dá)138平方米。艙內(nèi)配置13個標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜，艙外配置37個載荷安裝工位，支持在空間站開展科學(xué)實驗的能力更強(qiáng)。

這是官方介紹的“夢天”，但“夢天”的背后還有個鮮為人知的故事。

2012年5月23日，國家在空間站系統(tǒng)相關(guān)分工定點的批復(fù)中明確，中國航天科技集團(tuán)八院負(fù)責(zé)空間站實驗艙II總體研制工作。方案伊始，實驗艙II叫巡天光學(xué)艙，彼時巡天望遠(yuǎn)鏡只是該實驗艙的組成部分。但由于空間站運行過程中多余物、振動、調(diào)姿態(tài)、軌控等因素會干擾望遠(yuǎn)鏡運行，巡天望遠(yuǎn)鏡的觀測指向又會對空間站運行產(chǎn)生干擾，二者互相矛盾。

后經(jīng)我國航天實力提升和多重考慮，巡天望遠(yuǎn)鏡從該實驗艙中獨立出去，與空間站伴飛。

這是個兩全其美的事情，但打了夢天實驗艙團(tuán)隊一個措手不及。這意味著他們之前的設(shè)計面臨著大面積改動，甚至是推翻重來。沉沒成本和任務(wù)時間節(jié)點在即的雙重壓力讓團(tuán)隊的每個人都陷入沉思。

“經(jīng)過重新設(shè)計，我們將‘夢天’定位為航天員工作的地方，支持在艙內(nèi)外開展各種科學(xué)實驗?！卑嗽?05所高級工程師、主任設(shè)計師樊萍說。

科研團(tuán)隊與夢天艙合影。八院供圖

新方案在維持原有結(jié)構(gòu)構(gòu)型和平臺功能不變的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出了“貨物氣閘”功能，增加了貨物進(jìn)出氣閘艙，巧妙地采用嵌套式結(jié)構(gòu)構(gòu)型，“三艙”變“四艙”。

重新設(shè)計的“夢天”工作艙在最前端，通過對接機(jī)構(gòu)與核心艙相連，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)物理及航天技術(shù)試驗等多學(xué)科方向共13個實驗柜，并為航天員提供了近32立方米的“夢工場”工作室。載荷艙與貨物氣閘艙則是采用獨特的“雙艙嵌套”形式相連，即在載荷艙內(nèi)部隱藏著一個貨物氣閘艙，“主打”貨物出艙專用通道。在最前端的資源艙，則是對日定向裝置和柔性太陽翼等安裝的地方。

“新設(shè)計的實驗艙還解決了大尺寸載荷無法從氣閘艙出艙的難題，用上海話講，就是‘螺螄殼里做道場’?！眽籼鞂嶒炁撚媱澖?jīng)理劉慧穎說。他們還為載荷艙配備了兩塊展開式暴露平臺和一塊內(nèi)嵌的固定式暴露平臺，足足有15平方米，可配置數(shù)量眾多的艙外暴露載荷點位。

可以說，如今的“夢天”，是我國建成世界先進(jìn)水平的國家級太空實驗室的最大助力。

“以貨為主”和“以人為本”

載人航天的核心是人。

開展載人航天的重要目的之一，是發(fā)揮人在現(xiàn)場的作用，如處置問題的主觀能動性及人類精巧的操作能力。但在艙內(nèi)和艙外，人的工作能力，尤其是精細(xì)操作能力，差別很大。

在艙外活動時，受艙外航天服和手套的限制，人的觀察效果、操作空間及工具使用能力等均受到極大限制，即便在進(jìn)行專門設(shè)計且采用專用工具的條件下，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到艙內(nèi)作業(yè)的精準(zhǔn)水平。而在艙內(nèi)，可以說，只要工具合適，在地面能進(jìn)行的工作，航天員在軌都可完成。

近看夢天艙。八院供圖

于是，“夢天”提供了獨特的貨物自動進(jìn)出艙功能，在太空中為航天員創(chuàng)造了更合適的工作條件，做到“以貨為主，卻以人為本”。

與問天實驗艙不同，“夢天”的氣閘艙不再作為航天員出艙使用， 而是一條專供貨物出艙的通道。在這之前，一般是通過航天員“出艙帶貨”進(jìn)行艙內(nèi)外貨物的轉(zhuǎn)移、安裝，但這種方式往往會受到航天員出艙次數(shù)、載荷數(shù)量與大小的限制，而且航天員頻繁進(jìn)行出艙活動還將面臨空間環(huán)境中更為復(fù)雜的安全考驗。

“夢天”的貨物氣閘艙采用“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。為了保障航天員在軌安全，內(nèi)外兩道艙門不會同時開啟。

以貨物出艙任務(wù)為例，航天員在艙內(nèi)將載荷設(shè)置好，安裝在自動轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上；人員撤離氣閘艙，回到工作艙并關(guān)門；氣閘艙泄壓；開出艙艙門，轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將載荷送出艙；機(jī)械臂抓住并帶走載荷；轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)撤回艙內(nèi)；人員可進(jìn)入氣閘艙開展正常工作。

“載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運送能力達(dá)到400公斤，單次運送貨物包絡(luò)尺寸可達(dá)1.15米×1.2米×0.9米?！眲⒒鄯f說。

應(yīng)用貨物氣閘艙之后，將不再需要航天員著艙外航天服送載荷出去或接回，極大地降低了此類操作的安全風(fēng)險，還能延長航天服的使用壽命。

室內(nèi)的夢天艙與現(xiàn)場工作人員。

自動氣閘艙正好提供了一個艙內(nèi)外過渡的工作間，可以將大型載荷的部件在此進(jìn)行裝配和測試后，整體送出艙外。艙外的載荷也可以先搬到這里，經(jīng)過復(fù)壓后，由航天員以艙內(nèi)操作的方式進(jìn)行拆解、維修、維護(hù)等工作。

更進(jìn)一步，航天員還可以在夢天艙內(nèi)裝配微小衛(wèi)星，并由機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移至艙外釋放。

“‘夢天’可支持36U立方星或百公斤級微衛(wèi)星在軌組裝并自動釋放。”空間站夢天實驗艙機(jī)械總體主任設(shè)計師李立春說，“1U的體積是10厘米×10厘米×10厘米，大概一個手掌可以抓住?！?/p>

“1+1+1=1”

空間站三艙系統(tǒng)統(tǒng)一，是我國空間站的獨特優(yōu)勢。

繼“天和”“問天”之后，“夢天”一旦轉(zhuǎn)位對接并完成系統(tǒng)集成，將使中國的天宮空間站再次產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

縱觀世界上的空間站，和平號空間站艙段布置于多個平面，太陽翼遮擋問題突出。而整個國際空間站非常依賴星辰號服務(wù)艙這個核心艙進(jìn)行姿軌控，一旦該艙出現(xiàn)問題，整體將很受影響。

天宮空間站在分析借鑒和平號空間站、國際空間站的設(shè)計理念及經(jīng)驗、教訓(xùn)基礎(chǔ)上，突出強(qiáng)調(diào)空間站三個艙段的系統(tǒng)統(tǒng)一。艙外活動有雙氣閘艙備份，姿軌控有“天和”和“問天”備份，“夢天”也可以在關(guān)鍵功能方面進(jìn)行備份。三艙分布在同一平面，保證太陽翼不發(fā)生遮擋問題……通過3次發(fā)射分步實施，在軌完成組裝建造，形成功能強(qiáng)大、完整的70噸級“天宮”，在適度規(guī)模的條件下可以取得較高的研制效益，獲得高效率的資源利用和更強(qiáng)的系統(tǒng)冗余。

中國空間站T字構(gòu)型效果圖。八院供圖

“夢天”對接轉(zhuǎn)位后，將用一周左右時間把自身資源融入空間站組合體，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。屆時，空間站將完成繼“問天”組裝后再一次系統(tǒng)集成。

一方面，系統(tǒng)集成后，三艙能源并網(wǎng)后統(tǒng)一管理，兩個實驗艙可以跨艙進(jìn)行能源調(diào)配，并通過熱控散熱回路連通，實施與能源供應(yīng)匹配的散熱能力調(diào)配。

例如，如果“夢天”載荷啟動較多，僅靠本艙發(fā)電，可能缺電1千瓦，便可從“問天”調(diào)配1千瓦電進(jìn)入供電網(wǎng)。同時，“夢天”可將自己多產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)健皢柼臁保ㄟ^“問天”的輻射器安全排散。

另一方面，系統(tǒng)集成后，三艙平臺和載荷信息能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一管理。各種信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)大聯(lián)合，平臺總線、載荷以太網(wǎng)及其配備的WiFi均完成并網(wǎng)，可實現(xiàn)系統(tǒng)無差別監(jiān)視管理任何艙段的設(shè)備，有利于實現(xiàn)整站載荷資源的統(tǒng)一分配和動態(tài)管理。

夢天艙在軌組裝效果圖。八院供圖

此外，系統(tǒng)集成后，三艙為航天員提供的生活、工作環(huán)境可以實現(xiàn)統(tǒng)一管理。三艙組合體密封空間連通，形成完整的空氣循環(huán)，空氣壓力、成分及溫濕度都能得到統(tǒng)一控制，并隨著空氣流動均勻化，可讓航天員在各艙段內(nèi)都處于適宜的環(huán)境中。

通過系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)對各艙段內(nèi)設(shè)備按需調(diào)配和重構(gòu)，在控制系統(tǒng)和機(jī)械臂應(yīng)用等方面也都會有不同程度的改變，這均得益于我國空間站超前的系統(tǒng)設(shè)計。

如今，“夢天”作為國家級太空實驗室主力艙段，將大幅度提升我國空間站在軌進(jìn)行科學(xué)實驗的能力，在技術(shù)開發(fā)應(yīng)用、生物學(xué)、物理學(xué)等一大批前沿領(lǐng)域或?qū)⒂行碌年P(guān)鍵性突破發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而推動科技發(fā)展，“拉近”遙遠(yuǎn)的未來。

彼時，在更遠(yuǎn)的深空，會有中國人的足跡留下。