空間站夢天實驗艙「九年前不叫夢天」,名稱變動見證復興偉力

本周二上午,「長征五號B遙四火箭/夢天實驗艙組合體」在活動發射平台托舉下離開垂直總裝廠房,經過約2小時垂直轉運「艙箭組合體」順利抵達文昌航天發射場101發射工位,接下來將按計划進行發射前各項功能檢查與聯合測試等工作,預計將於本月底擇機實施發射任務

長征五號B遙四火箭在101發射工位就位

長征五號B火箭全長53.7米,相當於19層樓高,芯級直徑5米,捆綁4枚3.35米直徑助推器,整流罩直徑5.2米,起飛重量837.5噸,起飛推力約1078噸,近地軌道運力大於22噸。

仰視角度感受長五B之大

長征五號B起飛級動力:8台YF-100液氧煤油發動機+2台YF-77液氫液氧發動機

該型火箭採用別具一格的「一級半構型」,即由一個芯級捆綁4枚助推器,助推器算「半級」,先天可靠性高,火箭所有主動力均在起飛段點火,級間分離次數少。這也意味著芯級要打滿全場,從點火起飛到艙箭分離前,YF-77氫氧發動機需要持續工作將近490秒,還要適應大氣層內外空間的工作環境,以及大推力直接精確入軌技術,艙箭分離前兩台YF-77的真空推力可達140噸,這在世界上是罕見的,需要精準把握關機時間。

在天宮空間站的「關鍵技術驗證階段」與「在軌建造階段」各安排兩枚長征五號B任務,需要指出的是兩年前執行「新一代載人飛船試驗船」發射任務的長征五號B遙一就是空間站關鍵技術驗證階段的首次發射,之後遙二與遙三兩枚箭又先後成功將天和核心艙與問天實驗艙送入軌道。

三個月前,長征五號B遙三火箭成功將問天實驗艙送入預定軌道。

長征五號B遙四也將是長征五號系列火箭的第9次發射,成功之後將創造該系列火箭「七戰七捷、連戰連捷」的新紀錄。

論全箭總長,長征五號B不如長征五號,但前者將近21米的整流罩長度卻幾乎是後者的將近兩倍,如此大的整流罩在國際上也是不多見的,造這麼大的整流罩就是為了承運尺寸同樣巨大的空間站艙段。

直觀感受長五B整流罩之大

夢天實驗艙軸向長度17.9米,最大直徑4.2米,分為工作艙、多功能實驗艙、資源艙三個部分。

工作艙與問天艙工作艙以及天和艙大柱段軸向長度大致相同,主要是因為長征5B火箭整流罩的尺寸包絡約束條件一致,該整流罩距離下端面10.6米以上部分柱段可用包絡逐漸減小,而逐漸減小尺寸的整流罩部分則用於容納直徑較小的艙段,比如天和艙的小柱段、問天艙的氣閘艙與資源艙、夢天艙的多功能實驗艙與資源艙。

夢天實驗艙的三艙標註

三十年前,載人航天工程就有了「載人為建站,建站為應用」的發展理念,「應用」就是基於空間站提供的艙內外空間進行大規模的科學實驗,而這需要一系列的科學實驗設施設備的支持。

目前已知夢天實驗艙工作艙配置的科學實驗櫃有,流體物理實驗櫃、兩相系統實驗櫃、燃燒科學實驗櫃、高溫材料科學實驗櫃、超冷原子物理實驗櫃、高精度時頻實驗櫃1、高精度時頻實驗櫃2、在線維修裝調操作櫃,以及3台通用實驗櫃,總計12台科學實驗櫃。

天宮空間站三艙總計部署25台科學實驗櫃,夢天實驗艙一艙就佔據近半數的科學實驗櫃,由此可見該艙實可為「天宮空間站在軌科學實驗工作的核心載體」。

夢天實驗艙帶有科學研究方向的8台實驗櫃

夢天實驗艙之所以能夠部署如此眾多的科學實驗櫃,主要得益於空間站大量基礎設施建設皆由天和核心艙與問天實驗艙承擔,夢天艙工作艙不需要部署睡眠區、衛生間等生活設施,系統級備份也都在問天實驗艙,因而有充足的空間部署實驗設施。

夢天實驗艙的艙外實驗資源也很充盈,這就是緊鄰工作艙的「多功能實驗艙」的職責,該艙在朝向天頂一側的第三象限與朝向地球一側的第一象限均部署了在軌展開式暴露實驗平台,在軌展開後可提供三塊暴露實驗平台(兩塊展開平台,一塊固定平台)。

多功能實驗艙的3塊暴露實驗平台

多功能實驗艙除提供艙外實驗平台還配置有人類迄今為止規模最大的「貨物專用氣閘艙」,該艙配置大通徑的矩形內艙門與弧形外艙門,至少可支持1.3米寬度尺寸貨物通過(國際空間站貨物氣閘艙艙門通徑0.8米),比問天艙氣閘艙1米通徑艙門還要大,同時艙內配置有貨物轉移機構,配合機械臂可實現貨物的自動進出艙,基於該功能還能夠支持小衛星的在軌釋放。

夢天實驗艙水下訓練艙,畫面中的大開口便是貨物氣閘艙的出艙口。

工作艙與多功能實驗艙如此規模龐大的在軌支持能力讓夢天實驗艙的實驗艙之名「實至名歸」。

夢天實驗艙末端「資源艙」配置與問天實驗艙相同,具備獨立的姿軌控動力系統,以及推進劑貯箱,太陽翼也是可二次展開翼展超55米的超大型柔性太陽翼。

雙自由度超大型柔性太陽翼也是夢天艙的標配

夢天實驗艙發射入軌後將與天和核心艙前向對介面實施快速交會對接,完成一系列在軌測試任務後,將實施在軌轉位,由前向對介面轉位至第二象限側向停泊口永久對接,屆時問天艙與夢天艙形成跨度近40米的對置布局構型,兩艙太陽翼將以最小光照遮擋模式運行。

對置布局形成的大跨度起到了類似國際空間站桁架結構的作用

完成三艙在軌組裝任務後,天宮還會有更多值得期待的大事件,問天艙與夢天艙對置布局利好兩艙大型雙自由度太陽翼,但是該兩艙會對天和核心艙太陽翼形成遮擋,因此我們計劃實施核心艙太陽翼在軌轉位任務,由機械臂輔助艙外航天員拆卸核心艙太陽翼,並轉移至問天實驗艙與夢天實驗艙末端短桁架介面安裝,這樣一來天宮三艙太陽翼的受曬率將達到一個極大值,使得空間站供電能力更加強大。

機械臂輔助航天員轉移核心艙太陽翼

然而,太陽翼在軌拆裝不僅考驗核心艙太陽翼在軌收攏與再次展開能力,對航天員艙外操作能力也是嚴峻的考驗,此項任務一旦完成,我們航天員的出艙任務能力將再上一個大台階。

天宮空間站三艙完成在軌組裝後還將部署4個大型擴展實驗平台,安裝位置分別是,天和核心艙大柱段的第二象限與第四象限外壁、問天實驗艙工作艙的第四象限外壁、夢天實驗艙工作艙的第二象限外壁。大型擴展實驗平台將由配置開放式貨艙的天舟貨運飛船承運。

大型擴展實驗平台

除此之外,天宮空間站從設計伊始就是對標最大180噸級在軌規模,也就是說我們還有擴展另外三艙的能力準備,具體而言就是發射天和二號核心艙與實驗艙Ⅲ、實驗艙Ⅳ,天宮空間站將由當前的三艙T字形構型轉變為六艙干字形構型,再加上巡天光學艙,以及對接飛船,從而構成七艙多船的180噸級構型。

天宮二期到位後,空間站可支持3至6名航天員在軌駐留,在軌輪換人數最多可支持12名航天員同時在軌,科學實驗櫃數量將達到甚至突破50台,應用支持能力大幅度超越所謂的國際空間站,每年可產出超兩千項科學成果,進一步助力產業升級與空間技術的高速發展。

六艙「干字形構型」

談及至此,再來看夢天實驗艙,該艙是天宮空間站的第三個20噸級大型艙段,其「夢天」之名如今也是眾所周知,然而在九年前,它並不是「夢天」,而是冠名「巡天」,此名是基於該艙段設計部署的巡天光學望遠鏡起的名字,也就是說,原本夢天實驗艙與巡天光學艙是在一起的。

實驗艙Ⅱ原名「巡天」

實驗艙Ⅱ原計劃部署「巡天望遠鏡」

但是呢,巡天光學望遠鏡與空間站之間存在難以調和的運行矛盾,比如振動環境、指向要求、多餘物干擾等矛盾,科研人員建議,加上國力支持,巡天光學艙才得以最終獨立成艙,並與空間站共軌運行,這樣一來也解放了夢天實驗艙,使得該艙段能夠部署大量的在軌科研設施設備。

如今獨自成艙的「巡天光學艙」

今年是載人航天工程三十周年,三十年前,莫說是180噸級七艙多船構型,就是如今即將實現的三艙T字形構型都是難以想像的奢望,當年我們計劃的空間站可不是現在這樣,而是只有一個20噸級核心艙的中型空間站,這樣的空間站充其量就是大號的禮炮七號。

空間站早期構想圖

天宮空間站之所以能夠創造出如此光輝的歷史業績,歸功於誰?只能歸功於人民,因為只有人民才是創造歷史的真正動力,因為有了人民的拼搏奉獻,才能有強大的國力圓夢空天,我想這才是天宮空間站一期收官之作「夢天號實驗艙Ⅱ」之所以定名「夢天」的原因。